[发明专利]一种定向发射且可调控的极化激元发光器件及其制造方法

说明书

本发明提供了一种定向发射且可调控的极化激元发光器件及其制造方法，在衬底上形成金属薄膜，在金属薄膜上形成隔离层，在隔离层上形成TMDCs层，在TMDCs层上形成介质层，且介质层为周期性光栅结构。其中，由金属薄膜、隔离层和介质层组成的光学微腔的光子模式的谐振峰与TMDCs层的激子峰的波长相等，使得TMDCs层的激子、银薄膜的表面等离子体激元模式SPP和介质层的波导传播模式产生强耦合作用，形成激子‑极化激元，并且提高量子产率。由于耦合作用增强，实现了对激子‑极化激元超快动力学的调控，使得在入射光入射角度不为零度的情况下也能产生出射光，并通过调节入射角度调控出射光的出射角度，实现出射光的定向发射。

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其是涉及一种定向发射且可调控的极化激元发光器件及其制造方法。

背景技术

在传统半导体材料中激子-极化激元提供了一种能够突破衍射极限的光操纵方法。作为半光半物质的准粒子，激子-极化激元不仅具有光子的优点，如有效质量小、传播速度快、时间/空间相干性强，还具有粒子间强相互作用，大大增强其非线性光学特性。这些特征让激子-极化激元在以下领域有广泛的应用：极化激元玻色-爱因斯坦凝聚态和极化激元双稳态，以及新型光子器件如极化激元激光器，和光电/全光电路元件如极化激元开关、极化激元晶体管和逻辑门。此外，激子-极化激元的色散关系与光子明显不同，会产生慢光效应，因而有利于感应和增强非线性效应。特别地，激子-极化激元在具有破缺的平移对称性的过渡金属硫化物(TMDCs)中，由于激子和光场的限制而具有增强的光与物质耦合强度，并且还能够实现诸如超流体和拓扑极化激元等奇特现象。因此，了解和调控单层TMDCs中激子-极化激元的耦合强度、组成和色散关系对发展高性能、大带宽、可调控的二维极化激元发光器件至关重要。

然而目前的激子-极化激元的研究仍有以下不足，难以直接运用于高性能的片上光电子器件：(1)目前的极化激元发光器件受到拉比分裂(Rabi分裂)减弱、室温操作困难和分裂线宽小的限制，这些限制阻止了高泵浦光激发时的强相干作用，而强相干是实现室温极化激元的关键。另一方面，极化激元的产生强烈地依赖于激子、光子的超快动力学特征，只有当激子衰变率明显低于光子泄漏率时，极化激元凝聚态才得以形成。然而，TMDCs激子衰变过程是超快的(通常小于10ps)，与光子泄漏寿命相当，因而需要研究极化激元的超快动力学特征；(2)大多数极化激元发光器件采用FP光学微腔(法布里-珀罗腔)与TMDCs构成异质结，但是FP光学微腔不能自由设计、改变光腔模式、对后处理相对严格、且TMDCs夹在FP腔中，制作工艺复杂、难以控制，可能会改变或降低TMDCs的光学特性。

在实际应用过程中，发明人发现现有的极化激元发光器件量子产率低、出射光不可调控。且不易于集成。

发明内容

本发明实施例提供一种定向发射且可调控的极化激元发光器件及其制造方法，用以解决现有技术中极化激元发光器件量子产率低、出射光不可调控。且不易于集成的问题。

针对以上技术问题，本发明的实施例提供了一种定向发射且可调控的极化激元发光器件，包括衬底、金属薄膜、隔离层、TMDCs层和介质层；

所述金属薄膜在所述衬底上形成，所述隔离层在所述金属薄膜上形成，所述TMDCs层在所述隔离层上形成，所述介质层在所述TMDCs层上形成，且所述介质层为光栅结构；

其中，由所述金属薄膜、所述隔离层和所述介质层组成的光学微腔的光子模式的谐振峰与所述TMDCs层的激子峰的波长相等；通过调节入射到所述极化激元发光器件中入射光的入射角度调控所述极化激元发光器件的出射光的出射角度，实现出射光的定向发射。

可选地，所述TMDCs层为由单层TMDCs分子组成的薄膜结构。

可选地，所述介质层为周期性的条状光栅结构、圆柱状光栅结构或者多面体状光栅结构。