[发明专利]一种具有介质‑金属近场耦合结构的表面等离激元电致激发源及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及表面等离激元器件及其制作方法。更具体地，涉及一种具有介质-金属近场耦合结构的表面等离激元电致激发源及其制作方法。

背景技术

随着微电子集成电路的工作频率和集成度日益趋于物理极限，仅用电子作为信息载体已满足不了高速、大容量传输处理的要求。和电子回路相比，利用光子携带信息的光子集成回路具有频率高、损耗小和传输带宽高的优势，但是受衍射效应的影响，光子集成回路被限制在光波长量级，难以实现亚波长、纳米尺度下光的传输与控制。表面等离激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)具有比电子快的速度，并能突破衍射极限的限制。因此等离激元集成回路被认为是未来通讯和运算的主要信息处理器件。有源等离激元光子学功能器件，特别是表面等离激元的激发是等离激元集成回路发展需要解决的首要问题。

激发表面等离激元通常采用的方法是在外光源照射下，通过棱镜耦合、光栅耦合或者单个散射体散射等机制来实现波矢匹配来实现。然而这样的光学激发方式难以满足集成技术高集成度、小体积等方面的要求。对于集成技术来说，采用电激发的方式获得表面等离激元非常重要，具有重要的研究价值和应用前景。

人们对表面等离激元电致激发源的研究包括了以下几种代表性的方案，总体发展趋势是从有机发光材料向无机发光材料发展、从远场激发向近场耦合激发发展的发展历程。

2008年奥地利D.M.Koller等首次报道了基于电注入的OLED、激发金属-介质-金属波导结构中的表面等离激元，实现了表面等离激元的电致激发[Nature Photon.,2,684-687,2008]。但有机材料熔点低、难以用于集成回路中，所以后来的研究工作大都摒弃有机材料而采用无机发光材料。

2010年荷兰R.J.Walters等以硅纳米晶为有源材料，利用近场耦合作用激发金属-介质-金属波导结构中的表面等离激元[Nature Mater.,9,21-25,2010]，获得了电致表面等离激元激发源。该方法采用了与传统微电子集成回路兼容的工艺；但是，硅纳米晶发光的内量子效率低、仅约为1％，硅纳米晶发光波长可调范围小，仅涵盖600-900nm的范围。

2010年比利时P.Neutens等基于GaAs量子阱LED电致发光，再让极小部分的光通过纳米狭缝耦合到金属-介质-金属波导而激发表面等离激元[Nano Lett.,10,1429-1432,2010]；2012年南京大学L.Wang等采用类似的方法激发金属-空气界面波导上的表面等离激元[Opt.Exp.,20,8710-8717,2012]。但是此类方法的主要缺陷是中间存在发光过程、光电利用效率低。

2012年斯坦福大学P.Y.Fan等基于半导体纳米线LED激发表面等离激元的方法[Nano Lett.,12,4943-4947,2012]，虽然在波导耦合方面具有优势，但是同样存在量子效率低、发光波长可调范围小的缺陷。

随着人们对无机半导体量子阱研究的深入，其发光波长涵盖了紫外到近红外(400-1600nm)的波段范围，与具有可见光、近红外光波段调制器和探测器的集成回路波段匹配，而且半导体量子阱材料的量子效率可以高达90％以上；减小金属波导和发光层的距离、增强两者的耦合作用，取消中间发光过程，直接激发表面等离激元，可以高利用效率地激发表面等离激元。

专利CN103050591A介绍了一种采用半导体量子阱材料作为有源材料的表面等离激元激发源，该器件采用金属-介质-金属的三明治夹心结构，两个金属层之间距离非常小，中间介质层折射率较高，限制了光学模式的存在，可以激发金属-介质-金属波导结构中的表面等离激元，并使之沿着该波导结构传播，具有强的模式限制特性。利用半导体量子阱材料作为有源介质，发光波长范围大。但是，该器件存在一些不足之处。在结构和原理上，所激发的表面等离激元在金属-介质-金属波导中传播，由于模式限制强，表面等离激元的传播距离小，影响器件的应用。在工艺上，需要将半导体外延片键合到另外的硅衬底上、腐蚀掉原半导体外延片的衬底，然后再进行器件的制备工艺，这样导致其制备过程繁琐，工艺复杂，器件制备成功率低，难以规模化生产。

发明内容