[發(fā)明專利]電驅(qū)動光學天線光源及其制作方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 202010021762.5
• 申請日: 2020-01-09
• 公開（公告）號: CN111293196A
• 公開（公告）日: 2020-06-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張順平;唐繼博;胡華天;何小波;徐紅星
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢大學
• 主分類號: H01L33/00
• 分類號: H01L33/00
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 唐萬榮

本發(fā)明公開了一種電驅(qū)動光學天線光源及其制作方法，該光源包括：SOI基底、金屬電極、硅波導和納米尺度的光學天線；金屬電極和硅波導均設(shè)置在所述SOI基底的表面，金屬電極分別與所述外接電路的高壓端和低壓端連接；硅波導分別與金屬電極連接且硅波導之間形成一個溝槽；光學天線位于所述溝槽內(nèi)與兩個硅波導接觸，光學天線包括金屬納米顆粒以及均勻覆蓋在其外表面的一層絕緣介質(zhì)層。本發(fā)明具有響應速度快、耦合效率高、集成度高的優(yōu)點。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于硅基集成光源技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種電驅(qū)動光學天線光源及其制作方法。

背景技術(shù)

自從20世紀90年代硅基光電集成回路展現(xiàn)出高速優(yōu)勢之后，可直接與硅基光子回路集成的電激發(fā)的片上光源便成為了這個領(lǐng)域的一個發(fā)展重點。但是，硅作為一種帶隙為1.12eV的間接帶隙半導體，內(nèi)部被激發(fā)的電子只有在出現(xiàn)帶間直接躍遷或者聲子、雜質(zhì)輔助的帶內(nèi)躍遷等情況下才能輻射光子。這些效應發(fā)生的概率大都極低，直接阻礙了硅基集成光源的發(fā)展。現(xiàn)階段研究人員已經(jīng)利用硅PN結(jié)、硅量子點、鉺摻雜硅、硅鍺復合納米結(jié)構(gòu)、硅基拉曼激光以及直接在硅上生長Ⅲ-Ⅴ族發(fā)光二極管等方法實現(xiàn)了可集成光源的構(gòu)建。

但是，對于現(xiàn)有的基于半導體的自發(fā)輻射效應構(gòu)建出來的光源，受限于半導體內(nèi)部的電子空穴對的壽命，理論上這些光源的工作頻率上限在GHz量級。并且這類光源的尺寸一般都在數(shù)十微米量級。這都限制了硅基光電集成回路的工作速度以及集成度。因此，尋找具有更高工作頻率上限以及更小空間尺寸的可集成光源是目前領(lǐng)域內(nèi)的重要問題之一。通過光學天線構(gòu)建光源便是可能的解決方案之一。

光學天線可以類比于常見的微波天線，是一種工作在可見光和近紅外波段，能夠?qū)崿F(xiàn)自由空間內(nèi)傳播的電磁波與局域場之間互相轉(zhuǎn)換的器件。通常情況下，光學天線由遠小于電磁波波長的金屬納米結(jié)構(gòu)構(gòu)成，例如單個金屬納米顆粒。當自由空間的電磁波與光學天線耦合后，金屬中的自由電子氣會被誘導激發(fā)等離激元。光學天線的響應特性會受到自身結(jié)構(gòu)以及外界介電環(huán)境的影響，對不同頻率的電磁波表現(xiàn)出不同的響應特性，并在共振波段的獲得最強的光學響應。同時，光學天線也可以作為一個高效的耦合器將自由空間中的電磁波耦合進入諸如硅波導之類的光波導之中。光學天線在被光驅(qū)動之外，還可以被電直接驅(qū)動，實現(xiàn)電光之間的轉(zhuǎn)換。

自從1976年LambeMcCarthy在實驗上發(fā)現(xiàn)，對薄絕緣層隔離的金屬-絕緣層-金屬(Metal-Insulator-Metal，MIM)隧穿結(jié)施加偏壓后，可以觀察到發(fā)光的現(xiàn)象。同時，他們在理論上對這一現(xiàn)象進行解釋，提出了非彈性隧穿發(fā)光(Light Emission via InelasticTunneling,LEIT)的概念。之后，2015年Bert Hecht以及Lukas Novotny等利用類似方法實現(xiàn)了對光學天線的電驅(qū)動，從而引出了發(fā)光隧穿結(jié)(Light Emitting Tunnel Junction，LETJ)電驅(qū)動光學天線(Electrically Driven Optical Antennas，EDOA)的概念。這類電驅(qū)動的光源主要是通過隧穿過程中發(fā)生非彈性散射的一種基于隧穿電子散射激發(fā)驅(qū)動的非基于半導體能帶結(jié)構(gòu)的光學天線發(fā)光光源，一般由隧道結(jié)和光學天線組合構(gòu)成。在對隧道結(jié)施加偏壓后，電子在通過薄勢壘層時存在一定的概率發(fā)生非彈性散射而損失能量。電子損失的能量會轉(zhuǎn)移到光學天線內(nèi)部的局域場中，經(jīng)過光學天線調(diào)制變成自由空間中的輻射光或者耦合進入臨近的光波導內(nèi)。這類光源的電光轉(zhuǎn)換效率正比于光學天線的局域光學態(tài)密度(Local Density of Optical State，LDOS)。