[發(fā)明專利]表面等離激元電致激發(fā)源及其制造方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110312187.5
• 申請(qǐng)日: 2011-10-14
• 公開（公告）號(hào): CN103050591A
• 公開（公告）日: 2013-04-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李敬;徐紅星
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院物理研究所
• 主分類號(hào): H01L33/04
• 分類號(hào): H01L33/04;H01L33/30;H01L33/14;H01L33/00
• 代理公司: 北京泛華偉業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11280
• 代理人: 王勇

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種表面等離激元電致激發(fā)源。

背景技術(shù)

表面等離激元(Surface?Plasmon)是指在金屬-介質(zhì)界面存在的自由振動(dòng)的電子與光子相互作用產(chǎn)生的沿著界面?zhèn)鞑サ碾姶挪ā１砻娴入x激元可以突破衍射極限的限制，給納米尺度下光子學(xué)和微電子學(xué)的融合發(fā)展提供了平臺(tái)。在相同頻率的情況下，表面等離激元的波矢量大于光波矢量，所以不能直接用光波激發(fā)表面等離激元，目前常采用的激發(fā)方法是在外光源照射下，通過棱鏡耦合、光柵耦合或者單個(gè)散射體散射等機(jī)制來實(shí)現(xiàn)波矢匹配而激發(fā)表面等離激元。然而這樣的光學(xué)激發(fā)方式難以滿足集成技術(shù)高集成度、小體積等方面的要求。對(duì)于納米光電子集成技術(shù)來說，采用電激發(fā)的方式獲得表面等離激元非常重要，具有重要的研究價(jià)值和應(yīng)用前景。

目前電致激發(fā)表面等離激元源主要有以下幾種方案：

(1)半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管中產(chǎn)生表面等離激元

中遠(yuǎn)紅外波段的量子級(jí)聯(lián)半導(dǎo)體激光器是較早獲得電致激發(fā)表面等離激元的半導(dǎo)體激光器類器件。量子級(jí)聯(lián)激光器中在金屬層波導(dǎo)和半導(dǎo)體介質(zhì)層的界面近場激發(fā)產(chǎn)生表面等離激元；

發(fā)光二極管利用金屬層和半導(dǎo)體外延層的界面上產(chǎn)生的表面等離激元來提高出光效率，同時(shí)也可以產(chǎn)生表面等離激元。但是該方案的缺點(diǎn)在于這些半導(dǎo)體激光器、發(fā)光二極管或有機(jī)發(fā)光二極管通過表面等離激元來提高發(fā)光效率、改善器件性能，在此類器件中，電注入所激發(fā)的表面等離激元會(huì)散射成傳播光或者截留在器件內(nèi)，沒有直接耦合出來，難以形成真正的等離激元激發(fā)源。

(2)電致發(fā)光激勵(lì)表面等離激元波導(dǎo)

在電激勵(lì)的發(fā)光二極管上制作雙金屬層限制的薄介質(zhì)層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過納米狹縫將發(fā)光二極管產(chǎn)生的光沿垂直平面方向耦合到此波導(dǎo)中激發(fā)表面等離激元，傳播后再通過狹縫耦合輸出。此結(jié)構(gòu)的缺陷是只能應(yīng)用在發(fā)光二極管這樣的化合物半導(dǎo)體上，不便于與其它器件的集成。

條形半導(dǎo)體激光器端面發(fā)光在平面上耦合到金屬條形波導(dǎo)上激發(fā)表面等離激元，但是光在空間內(nèi)的傳播和散射嚴(yán)重限制了其應(yīng)用。

(3)具有輸出結(jié)構(gòu)的表面等離激元源

電注入的有機(jī)發(fā)光二極管制作成側(cè)向限制結(jié)構(gòu)，使得雙金屬電極層之間產(chǎn)生的表面等離激元可以沿金屬電極傳播，但有機(jī)發(fā)光介質(zhì)材料和工藝與集成電路工藝不兼容。

硅納米晶作為有源材料置于上下金屬電極層之間，在電注入的條件下近場激發(fā)表面等離激元，通過金屬電極上的光柵耦合輸出，但是硅納米晶發(fā)光的內(nèi)量子效率低，發(fā)光波長范圍小。

發(fā)明內(nèi)容

因此，本發(fā)明的目的在于提供一種表面等離激元電致激發(fā)源，具有較高的內(nèi)量子效率，發(fā)光波長范圍大，且制備工藝與CMOS工藝兼容，便于器件的集成。

本發(fā)明提供一種表面等離激元電致激發(fā)源，包括：

第一金屬層；

第二金屬層；

第一金屬層和第二金屬層之間的量子阱結(jié)構(gòu)；

第一金屬層和第二金屬層之一中的耦合輸出結(jié)構(gòu)。

根據(jù)本發(fā)明提供的表面等離激元電致激發(fā)源，其中量子阱層包括單量子阱或多個(gè)量子阱。

根據(jù)本發(fā)明提供的表面等離激元電致激發(fā)源，其中量子阱層為GaAs基材料，第一金屬層、第二金屬層之間的所有介質(zhì)層的總厚度在100-140nm內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明提供的表面等離激元電致激發(fā)源，其中量子阱層為InP基材料，第一金屬層、第二金屬層之間的所有介質(zhì)層的總厚度在200-300nm內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明提供的表面等離激元電致激發(fā)源，其中量子阱層為銻化物基材料，第一金屬層、第二金屬層之間的所有介質(zhì)層的總厚度在350-700nm內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明提供的表面等離激元電致激發(fā)源，其中第一金屬層和第二金屬層中不具有耦合輸出結(jié)構(gòu)的一個(gè)被鍵合到襯底上的鍵合金屬層。

根據(jù)本發(fā)明提供的表面等離激元電致激發(fā)源，其中量子阱層與第一金屬層之間具有p型歐姆接觸層，量子阱層與第二金屬層之間具有n型歐姆接觸層。

根據(jù)本發(fā)明提供的表面等離激元電致激發(fā)源，其中p型歐姆接觸層的摻雜濃度約為10¹⁴-10¹⁷cm^-3，n型歐姆接觸層的摻雜濃度約為10¹⁶-10¹⁸cm^-3。

根據(jù)本發(fā)明提供的表面等離激元電致激發(fā)源，其中耦合輸出結(jié)構(gòu)為光柵、孔洞陣列。

本發(fā)明還提供一種制造表面等離激元電致激發(fā)源的方法，包括：