[發明專利]電泵鍵合硅基表面等離激元混合光源及其制備方法

無效

• 申請號: 201210521474.1
• 申請日: 2012-12-06
• 公開（公告）號: CN103001121A
• 公開（公告）日: 2013-03-27
• 發明（設計）人: 李艷平;冉廣照;徐萬勁;陳娓兮;秦國剛
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01S5/042
• 分類號: H01S5/042;H01S5/20;H01S5/343
• 代理公司: 北京君尚知識產權代理事務所(普通合伙) 11200
• 代理人: 陳美章

技術領域

本發明涉及光電子器件領域中電泵表面等離激元光源器件及其制備方法，特別是涉及采用鍵合方法制備的電泵硅基表面等離激元混合光源。

背景技術

隨著硅基超大規模集成電路的集成度的提高，半導體電子材料的物理極限問題日益突顯。僅依靠電子器件，難以長久延續摩爾定律。然而，處于當今信息大爆炸時代的人們，對信息的傳輸、處理和存儲能力的要求越來越高。此外，基于銅導線的電互連隨著其集成度的進一步提高，能耗也將急劇增加。全球能源的緊張，使得人們希望在極大地提高信息的處理速度和存儲容量的同時，能夠進一步的降低能耗。硅光子學，特別是硅基光互連的快速發展讓人們看到了延續摩爾定律的曙光。

近些年來，光互連取得了很大的進展。盡管人們已經通過直接鍵合、聚合物鍵合、金屬鍵合和選區金屬鍵合等方法將III-V族激光器鍵合在硅基上，實現了硅基光互連。但是，III-V族激光器的尺寸遠大于電子器件尺寸，光互連的集成度難以大幅提高。最近人們提出了表面等離激元光源的概念，可將光源器件尺寸縮減到納米量級。傳統的MIM(金屬-介質-金屬)，IMI(介質-金屬-介質)結構的表面等離激元要么存在損耗大，傳播距離短的問題，要么存在光限制作用小，器件尺寸無法縮小的問題。2008年，有學者提出了表面等離激元混合激光器的結構，可以將激光器的尺寸縮小到納米量級的同時實現較長的傳播距離。但是到目前為止，只能實現光泵形式的表面等離激元混合光源，并且沒有集成在硅基上。電泵硅基表面等離激元混合光源器件至今仍未提出。

發明內容

針對現有技術中存在的技術問題，本發明的目的是提供一種可以實現電泵激發的納米尺寸的鍵合硅基表面等離激元混合光源。這種光源具有尺寸小、集成度高、傳播距離長、能實現電泵激發和方便地與硅基集成等優點。

本發明的特色在于：在SOI的波導結構上沉積貴金屬層和低介電常數介質層，制備出表面等離激元(SPP)波導，然后將TM模為主的半導體光增益結構鍵合在其上。半導體光增益結構與貴金屬層和低介電常數介質層形成一個混合波導結構，該結構能承載低損耗、小尺寸的表面等離激元混合模式。

本發明的結構示意圖如1(j)所示，自下而上依次為SOI，貴金屬層、低介電常數介質層、鍵合層和半導體光增益結構。在本結構中，我們采取選區金屬鍵合方法，即首先在SOI上制備出SPP波導結構，然后在SPP波導兩側2-10μm的范圍之外，沉積鍵合金屬，作為金屬鍵合區。在SOI上制備SPP波導時，先要在SOI上刻蝕出硅波導，然后再沉積貴金屬層和低介電常數介質層。在本結構中，我們選擇金作為貴金屬層，厚度范圍為20nm-500nm，選擇碳化硅作為低介電常數介質層，厚度范圍為2nm-200nm。鍵合層采用Cr/AuSn多層結構，厚度范圍為200nm-6μm。其中，Cr的作用是提高AuSn合金與SOI的黏附性，一般厚度為5nm-20nm。AuSn的厚度范圍為200nm-6μm，它除了作為鍵合媒介外，也作為半導體光增益結構的電極(鍵合層也可以用聚合物)。在本結構中，我們所選擇的半導體光增益結構為在n型InP襯底上外延的張應變量子阱的InP基半導體光增益結構。該半導體光增益結構具有常規激光器的上下SCH(分別限制)層和MQW(多量子阱)層。

這種電泵鍵合硅基表面等離激元混合光源的制備方法，包括如下步驟：

1)在SOI上制備出SPP波導結構：先在SOI上刻蝕出Si波導，然后再從下到上依次沉積貴金屬層和低介電常數介質層；

2)在SOI上制備鍵合層：除SPP波導及其附近較小的區域外，在SOI的其它區域制備鍵合層；

3)外延生長TM模為主的半導體光增益結構；

4)鍵合：以上述半導體光增益結構中最接近光增益區的面為鍵合面，利用鍵合機將上述半導體光增益結構的光增益區與SOI上的SPP波導對準，然后在適當的溫度、時間和壓力下鍵合，就制備出了電泵鍵合硅基表面等離激元混合光源。

所述SPP波導結構的寬度范圍為20nm-5μm，高度范圍為200nm-6μm。

所述貴金屬層可為Au或Ag，其厚度范圍為20nm-500nm。

所述低介電常數介質層可為SiC，CaF₂，MgF₂或SiO₂，其厚度范圍為2nm-200nm。

所述SPP波導及其附近較小的區域，指的是SPP波導兩側寬度范圍為2μm-10μm區域。