[發(fā)明專利]表面等離激元-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)諧振光電器件及其制備方法

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• 申請日: 2018-03-07
• 公開（公告）號: CN108511555A
• 公開（公告）日: 2018-09-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張彤;王善江;張曉陽
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學
• 主分類號: H01L31/101
• 分類號: H01L31/101;H01L31/0352;H01L31/18
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發(fā)明提出了一種表面等離激元?半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)諧振光電器件及其制備方法，其中，表面配體分子(2)修飾在表面等離激元納米結(jié)構(gòu)(1)上，表面等離激元晶面結(jié)構(gòu)(3)綁定在表面配體分子(1)上，半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)晶種(4)位于表面等離激元晶面結(jié)構(gòu)(3)上，一維半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)(5)位于半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)晶種(4)上，且各部分形成緊密的接觸。該類異質(zhì)集成材料在界面處實現(xiàn)了晶格的匹配，大大降低了缺陷、晶面粗糙等帶來的損耗，可實現(xiàn)表面等離激元模式與光模式的直接耦合，在納米激光器、納米熱源、光電探測及光催化領(lǐng)域中具有極大地應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及納米材料領(lǐng)域、集成光學器件領(lǐng)域，特別涉及一種表面等離激元-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)諧振光電器件及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著半導(dǎo)體理論的不斷發(fā)展，在追求器件的小型化和集成化的同時，如何構(gòu)造高量子效率、低成本以及可大批量制備的半導(dǎo)體光電器件是當前人們研究的熱點方向，并開辟了一系列新的應(yīng)用領(lǐng)域。然而，由于半導(dǎo)體納米材料自身帶隙的限制及光生載流子再復(fù)合等問題，使得傳統(tǒng)的基于半導(dǎo)體材料的光電器件存在響應(yīng)波長受限、量子效率低等缺陷，導(dǎo)致該類器件在實用性、可靠性以及成本等方面限制了其應(yīng)用范圍和進一步的工業(yè)化和市場化。隨著表面等離激元學研究的興起，為該類半導(dǎo)體基光電器件技術(shù)的發(fā)展提供了新的契機。表面等離激元具有顯著的近場局域增強特性，可作為一種“納米天線”，極大地促進局部的光強密度。通過改變納米結(jié)構(gòu)本身的幾何形狀、材質(zhì)、尺寸及環(huán)境介質(zhì)等因素實現(xiàn)紫外到中紅外波段可調(diào)的諧振譜。此外，Purcell指出，可通過合理的構(gòu)造特定的腔，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來調(diào)控材料周圍電磁場的態(tài)密度，進而控制材料的自發(fā)輻射幾率，該效應(yīng)稱為Purcell效應(yīng)?；谠撔?yīng)，為了有效提高半導(dǎo)體材料的量子效率，高態(tài)密度和小模體積將有助于獲得較大的Purcell系數(shù)。因此，如果能將等離激元效應(yīng)與Purcell效應(yīng)二者有效結(jié)合起來，即將半導(dǎo)體材料對應(yīng)的輻射頻率接近于等離激元的諧振頻率，那么將會顯著提高該半導(dǎo)體光電器件的量子效率，光能的利用率將大幅提高。

隨著半導(dǎo)體加工工藝的的日漸成熟，基于表面等離激元-半導(dǎo)體異質(zhì)集成的有源、無源光電器件的研究層出不窮，但大多數(shù)的制備工藝僅僅通過焊接、綁定、修飾以及組裝等方式實現(xiàn)兩種不同材料的異質(zhì)集成。制備工藝復(fù)雜，成本高而且周期長，與此同時，以上這些技術(shù)手段難以在表面等離激元結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)長徑比可調(diào)、密度可控以及取向可變的半導(dǎo)體材料。不同材料之間的晶面失配也導(dǎo)致形成的異質(zhì)集成的光電器件存在較高的界面損耗以及諸多的不確定性，器件的實用性及穩(wěn)定性也需要進一步發(fā)掘。

因此，亟需一種高質(zhì)量、穩(wěn)定且可大批量制備的高效異質(zhì)集成光電器件，避免傳統(tǒng)構(gòu)造晶面技術(shù)手段帶來的“特異性”差(導(dǎo)致極易生成核殼型結(jié)構(gòu)而無法實現(xiàn)光波的傳導(dǎo))，不可控等缺陷，從而實現(xiàn)表面等離激元傳統(tǒng)與光模式的直接高效耦合。

發(fā)明內(nèi)容

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是為了克服已有技術(shù)的不足之處，提出了一種表面等離激元-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)諧振光電器件，該方法通過化學綁定特定金屬晶面，并通過復(fù)合半導(dǎo)體晶種及其續(xù)生長來嚴格實現(xiàn)密度、長徑比、取向可控的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。通過調(diào)控該種異質(zhì)集成結(jié)構(gòu)工藝可實現(xiàn)多種有源、無源表面等離激元光電器件，在納米材料、集成光電子器件領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。

技術(shù)方案：本發(fā)明的一種表面等離激元-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)諧振光電器件包括：表面等離激元納米結(jié)構(gòu)，表面配體分子，表面等離激元晶面結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)晶種和一維半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)；其中，表面配體分子修飾在表面等離激元納米結(jié)構(gòu)上，表面等離激元晶面結(jié)構(gòu)綁定在表面配體分子上，半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)晶種位于表面等離激元晶面結(jié)構(gòu)上，一維半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)位于半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)晶種上，且各部分形成緊密的接觸。

其中，

所述的表面等離激元納米結(jié)構(gòu)，形貌為三角板、線或十面體的各向異性晶體材料，長軸尺寸為10-10000nm，或為球、對稱多面體的各向同性晶體材料，尺寸為10-3000nm。

所述的表面等離激元納米結(jié)構(gòu)，供選材料為金、銀、銅、鋁或鉑等具有表面等離激元效應(yīng)的金屬材料；