[发明专利]一种表面等离激元电致激发和电学调制集成器件及其制作方法

说明书

一种表面等离激元电致激发和电学调制集成器件，包括背电极、半导体衬底、半导体有源结构、第一介质层、金属电极和波导结构、定向耦合结构、第二介质层、石墨烯结构以及石墨烯的金属电极和波导结构。通过电注入半导体量子阱材料，以近场耦合作用的方式激发金属和半导体介质界面的表面等离激元，并使之定向耦合输出后在金属‑介质波导上传播，实现表面等离激元的电致激发。利用石墨烯载流子浓度随所施加栅电压变化而使得费米能级、介电常数随之变化的特性，在金属电极、第二介质层和石墨烯构成的类场效应管结构中，通过石墨烯所加电压实现对电致激发表面等离激元传播的宽带、高速调制。

技术领域

本发明涉及微纳光电子集成器件及其制作方法。更具体地，涉及一种表面等离激元电致激发和电学调制集成器件及其制作方法。

背景技术

集成电子器件是传统信息技术的基本功能单元之一，但是受纳米尺寸的制约，正如摩尔定律所预测的，集成电子器件的发展逐渐逼近其物理极限。光子集成回路及光计算以传播速度快、传输容量大的光子作为信息载体，具有巨大的优势。基于金属纳米结构的表面等离激元可以突破传统光学衍射极限的限制、光场束缚能力，可以在纳米尺度对光子进行操控；因此，等离激元集成回路被认为是未来的信息处理技术平台。

表面等离激元的电致激发是实现等离激元集成回路需要解决的首要问题。目前所采用的方案主要有以下几种。

文献[Organic plasmon-emitting diode，D.M.Koller,et al.,Nature Photon.,2,684,2008]首先公开了基于有机发光材料的电致激发表面等离激元器件及制备技术，以金属-介质-金属波导模式具有良好的传播特性。但是存在有机材料熔点低、难以用于集成回路的缺点。

文献[A silicon-based electrical source of surface plasmon polaritons，R.J.Walters,et al.,Nature Mater.,9,21,2010]公开了采用硅纳米晶发光材料的电致激发表面等离激元器件及制备技术，以金属-介质-金属波导模式传播表面等离激元，制备工艺与传统集成器件工艺兼容，具有可集成的优势。但是存在硅纳米晶发光的内量子效率低、仅约为1%，发光波长可调范围小的缺点。

文献[Electrical Excitation of Confined Surface Plasmon Polaritons inMetallic Slot Waveguides，P.Neutens,et al.,Nano Lett.,10,1429,2010]和文献[Electrically generated unidirectional surface plasmon source,L.Wang,et al.,Opt.Exp.,20,8710,2012]公开了采用化合物半导体发光材料即LED发光、以金属-介质-金属波导模式、金属-介质波导模式传播的电致激发表面等离激元器件及制备技术，虽然相比硅纳米晶、材料发光效率有所提高，器件结构也具有多样性，但是，缺点在于存在中间的发光过程、光电利用效率低。

专利文献[CN201410559595.4]公开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，这种材料减小了金属波导和量子阱层的距离、增强两者的耦合作用，在近场作用范围内直接激发表面等离激元，激发效率比较高。但是，该器件所实现的仅仅是表面等离激元的电致激发，并没有对电致激发表面等离激元进行电学调制。