[發明專利]一種具有介質?金屬近場耦合結構的表面等離激元電致激發源及其制作方法

有效

• 申請號: 201410559595.4
• 申請日: 2014-10-20
• 公開（公告）號: CN104269472B
• 公開（公告）日: 2017-07-11
• 發明（設計）人: 李敬;孟祥敏
• 申請（專利權）人: 中國科學院理化技術研究所
• 主分類號: H01L33/00
• 分類號: H01L33/00;H01L33/06;H01L33/14
• 代理公司: 北京正理專利代理有限公司11257
• 代理人: 張文祎

技術領域

本發明涉及表面等離激元器件及其制作方法。更具體地，涉及一種具有介質-金屬近場耦合結構的表面等離激元電致激發源及其制作方法。

背景技術

隨著微電子集成電路的工作頻率和集成度日益趨于物理極限，僅用電子作為信息載體已滿足不了高速、大容量傳輸處理的要求。和電子回路相比，利用光子攜帶信息的光子集成回路具有頻率高、損耗小和傳輸帶寬高的優勢，但是受衍射效應的影響，光子集成回路被限制在光波長量級，難以實現亞波長、納米尺度下光的傳輸與控制。表面等離激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)具有比電子快的速度，并能突破衍射極限的限制。因此等離激元集成回路被認為是未來通訊和運算的主要信息處理器件。有源等離激元光子學功能器件，特別是表面等離激元的激發是等離激元集成回路發展需要解決的首要問題。

激發表面等離激元通常采用的方法是在外光源照射下，通過棱鏡耦合、光柵耦合或者單個散射體散射等機制來實現波矢匹配來實現。然而這樣的光學激發方式難以滿足集成技術高集成度、小體積等方面的要求。對于集成技術來說，采用電激發的方式獲得表面等離激元非常重要，具有重要的研究價值和應用前景。

人們對表面等離激元電致激發源的研究包括了以下幾種代表性的方案，總體發展趨勢是從有機發光材料向無機發光材料發展、從遠場激發向近場耦合激發發展的發展歷程。

2008年奧地利D.M.Koller等首次報道了基于電注入的OLED、激發金屬-介質-金屬波導結構中的表面等離激元，實現了表面等離激元的電致激發[Nature Photon.,2,684-687,2008]。但有機材料熔點低、難以用于集成回路中，所以后來的研究工作大都摒棄有機材料而采用無機發光材料。

2010年荷蘭R.J.Walters等以硅納米晶為有源材料，利用近場耦合作用激發金屬-介質-金屬波導結構中的表面等離激元[Nature Mater.,9,21-25,2010]，獲得了電致表面等離激元激發源。該方法采用了與傳統微電子集成回路兼容的工藝；但是，硅納米晶發光的內量子效率低、僅約為1％，硅納米晶發光波長可調范圍小，僅涵蓋600-900nm的范圍。

2010年比利時P.Neutens等基于GaAs量子阱LED電致發光，再讓極小部分的光通過納米狹縫耦合到金屬-介質-金屬波導而激發表面等離激元[Nano Lett.,10,1429-1432,2010]；2012年南京大學L.Wang等采用類似的方法激發金屬-空氣界面波導上的表面等離激元[Opt.Exp.,20,8710-8717,2012]。但是此類方法的主要缺陷是中間存在發光過程、光電利用效率低。

2012年斯坦福大學P.Y.Fan等基于半導體納米線LED激發表面等離激元的方法[Nano Lett.,12,4943-4947,2012]，雖然在波導耦合方面具有優勢，但是同樣存在量子效率低、發光波長可調范圍小的缺陷。

隨著人們對無機半導體量子阱研究的深入，其發光波長涵蓋了紫外到近紅外(400-1600nm)的波段范圍，與具有可見光、近紅外光波段調制器和探測器的集成回路波段匹配，而且半導體量子阱材料的量子效率可以高達90％以上；減小金屬波導和發光層的距離、增強兩者的耦合作用，取消中間發光過程，直接激發表面等離激元，可以高利用效率地激發表面等離激元。

專利CN103050591A介紹了一種采用半導體量子阱材料作為有源材料的表面等離激元激發源，該器件采用金屬-介質-金屬的三明治夾心結構，兩個金屬層之間距離非常小，中間介質層折射率較高，限制了光學模式的存在，可以激發金屬-介質-金屬波導結構中的表面等離激元，并使之沿著該波導結構傳播，具有強的模式限制特性。利用半導體量子阱材料作為有源介質，發光波長范圍大。但是，該器件存在一些不足之處。在結構和原理上，所激發的表面等離激元在金屬-介質-金屬波導中傳播，由于模式限制強，表面等離激元的傳播距離小，影響器件的應用。在工藝上，需要將半導體外延片鍵合到另外的硅襯底上、腐蝕掉原半導體外延片的襯底，然后再進行器件的制備工藝，這樣導致其制備過程繁瑣，工藝復雜，器件制備成功率低，難以規模化生產。

發明內容