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与流程

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 in Metallic 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。

基于不同的调制机理，表面等离激元的动态调制有多种实现方式。最具代表性的是光学方法，文献[All-optical modulation by plasmonic excitation of CdSe quantum dots，D Pacifici,et al.,Nature Photon.,1,402,2007]公开了基于非线性光学效应对传播的表面等离激元调制的方法，但是其缺点在于，该方法对表面等离激元的调制速度慢，而且体积大，难以进行器件集成。基于电光效应即利用电学方法，将电信号转换成高比特率的光子数据，进行表面等离激元的调制，不仅调制速度快，而且方便集成。文献[Electrooptic Modulation in Thin Film Barium Titanate Plasmonic Interferometers,M.J.Dicken,et al.,Nano Lett.8,4058,2008]公开了一种基于介电化合物材料的代表性方案，即通过加电改变钛酸钡层的介电常数，来调控双缝中激发表面等离激元的干涉效应，但是，该方法的缺陷在于，仅仅局限于对干涉效应的调控，无法对传播的表面等离激元调制。文献[PlasMOStor:A Metal-Oxide-Si Field Effect Plasmonic Modulator，J.A.Dionne,et al.,Nano Lett.,9,897,2009]公开了一种基于半导体材料的代表性方案，即利用Si的非线性光电特性、通过栅电压控制硅的折射率变化获得了对光致激发表面等离激元的场效应调制作用，该方法利用Si材料，工艺兼容性高、调制效果显著；但是，该方法的缺点在于，仍是对光致激发表面等离激元的调制，难以进行器件集成。

石墨烯的非线性系数和电子迁移率比硅、化合物材料高，所以，石墨烯对于表面等离激元的调制速度快，而且调制带宽大。文献[Electrically Tunable Damping of Plasmonic Resonances with Graphene，N.K.Emani,et al.,Nano Lett.,12,5202,2012]和文献[Broad Electrical Tuning of Graphene-Loaded Plasmonic Antennas，Y.Yao,et al.,Nano Lett.,13,1257,2013]公开了基于石墨烯的代表性方案，即利用门电压调制石墨烯载流子密度、改变其对应的费米能级，实现了对蝴蝶结型金属结构等离激元共振峰、纳米间隙金属天线结构等离激元共振峰的电学调制。但是，该方案中的缺点是只能针对光学方法激发的金属结构等离激元共振峰调制，无法进行器件集成；也只能应用于中红外波段，限制了应用范围。

上述采用钛酸钡、Si以及石墨烯等材料的表面等离激元调制方案仅仅对光学激发的表面等离激元进行了调制，而并没有对电致激发的表面等离激元进行调制。

因此，本发明在电致激发表面等离激元的基础上集成表面等离激元调制元件，实现了电致激发和电学调制的单片集成，得到了一种表面等离激元电致激发和电学调制集成器件，不仅实现了具有介质-金属波导模式的电致激发表面等离激元，而且实现了对电致激发表面等离激元调制。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种表面等离激元电致激发和电学调制集成器件，其具有结构简单、便于集成的优点。该器件不仅实现了表面等离激元的电致激发，而且还能够对电致激发表面等离激元传播进行宽带、高速调制。

本发明的另一个目的在于提供一种表面等离激元电致激发和电学调制集成器件的制作方法。

为达到上述第一个目的，本发明采用下述技术方案：

一种表面等离激元电致激发和电学调制集成器件，包括半导体衬底、形成在半导体衬底上的半导体有源结构、形成在半导体有源结构周围的第一介质层、形成在半导体有源结构和第一介质层上的金属电极和波导结构，其中形成有实现波导作用的定向耦合结构、形成在金属电极和波导结构上的第二介质层、形成在第二介质层上的石墨烯结构、形成在石墨烯结构上的石墨烯的金属电极和波导结构和形成在半导体衬底背面的背电极。

优选地，所述集成器件还包括形成在石墨烯结构上包括槽的条形金属结构。所述包括槽的条形金属结构和下面的石墨烯结构、第二介质层和金属电极结构一起形成金属-介质-金属波导结构，该波导结构的优势在于得到限制性更高的波导模式。

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，通过调解石墨烯所加栅电压实现对电致激发表面等离激元传播的宽带、高速调制。

优选地，所述半导体有源结构为半导体量子阱材料，该材料可以通过电激发获得增益；所述半导体有源结构包括第一垒层、量子阱层、第二垒层和P型欧姆接触层；所述量子阱层位于两垒层之间；所述半导体有源结构为形成在半导体衬底上的凸起长方形结构，与第一介质层紧密接触，外边缘不超过半导体衬底的外边缘。

优选地，为了实现基于近场耦合作用的表面等离激元电致激发，所述量子阱层与金属-介质界面的距离不超过80nm；所述垒层的厚度为8-15nm；所述量子阱层的厚度为4-10nm，所述P型欧姆接触层的厚度为30-50nm。通过电致激发半导体量子阱材料可以近场耦合激发产生表面等离激元。

优选地，所述第一介质层的外边缘不超过半导体衬底的外边缘。优选地，所述第一介质层为SiO₂、SiN、Al₂O₃。采用该材料易于实现介质生长，而且能有效地实现电学绝缘和电学隔离的目的。

优选地，所述金属电极和波导结构覆盖半导体有源结构；所述金属电极和波导结构的边缘不超出半导体衬底的边缘。

优选地，所述金属电极和波导结构的厚度为150-300nm。金属电极和波导结构既是半导体有源结构的电极，又为表面等离激元的传播提供了金属-介质波导。此外该结构的厚度太大，会造成耦合到上表面的表面等离激元太弱，难以长距离传输，且厚度的增加会使制作成本增大。厚度太小，难以实现上表面表面等离激元的定向耦合，且可能直接耦合至上表面，没有方向性，从而影响调制效果。

优选地，所述定向耦合输出结构为非对称的沟槽或者槽-槽结构；所述定向耦合输出结构中槽的厚度不超过金属电极和波导结构的厚度。

优选地，所述非对称的沟槽结构，沟111长度为1-2μm，宽度为400-800nm，槽112长度为1-2μm，宽度为300-1000nm，深度为金属电极和波导结构104厚度的60-80%；优选地，所述非对称的槽槽结构，槽113长度为1-2μm，宽度为400-800nm，槽114长度为1-2μm，宽度为300-1000nm，槽113和槽114的中心距离为200-400nm。通过该定向耦合结构，使得电致激发的表面等离激元单方向耦合并以金属-介质波导模式传播。参数的选取优势在于不仅能够满足所激发的表面等离激元的干涉条件，而且实现表面等离激元的定向耦合输出。

优选地，所述第二介质层不遮挡定向耦合输出结构，且其一侧边缘与定向耦合输出结构中槽的边缘处于同一垂直平面；所述第二介质层的外边缘不超过金属电极和波导结构的外边缘。优选地，所述第二介质层为SiO₂、SiN或Al₂O₃；所述第二介质层的厚度为40-80nm；所述第二介质层的粗糙度不超过1nm。第二介质层提供了电致激发和电学调制的电学隔离，同时和石墨烯结构一起组成表面等离激元波导的介质部分。所述第二介质层的厚度太大，会造成表面等离激元模式与石墨烯距离远，石墨烯上能量分布少，对表面等离激元的调制效果弱；所述第二介质层的厚度太小，又难以满足电学绝缘和电学隔离的要求。因此，本发明中参数的选取优势在于能够在两者之间找到一个平衡。

优选地，所述石墨烯结构的外边缘不超出第二介质层的外边缘。优选地，所述石墨烯结构边长大小为5-20μm。石墨烯的大小与整个器件的大小，两者要求相匹配。同时，石墨烯的制备工艺使得其很难太大，而且器件太大，集成度会降低。但若是器件太小，石墨烯仅仅对传播很短距离的表面等离激元作用，会使得调制深度小，影响调制效果。

所述石墨烯的金属电极和波导结构压在石墨烯结构的两侧，垂直但不遮挡定向耦合输出结构；所述石墨烯的金属电极和波导结构的外边缘不超过石墨烯结构的外边缘；所述包括槽的条形金属结构位于石墨烯的金属电极和波导结构之间，其外边缘不超过石墨烯结构的外边缘。通过金属电极和波导结构对石墨烯结构施加栅电压，可以调制石墨烯结构的费米能级、介电常数变化，从而调制表面等离激元的传播特性。

优选地，所述背电极为金属Ti/Au或者金属Cr/Au；所述金属Ti的厚度为5-10nm；所述金属Cr的厚度为5-10nm；所述金属Au的厚度为60-120nm。Ti层或者Cr层的厚度小，可以减小所引入的损耗，而Au层的厚度足以满足导电性连接的要求。

为达到上述第二个目的，本发明采用下述技术方案：

一种表面等离激元电致激发和电学调制集成器件的制作方法，包括如下步骤：

在长有缓冲层的衬底表面生长半导体有源结构；

在所生长的半导体有源结构周围沉积第一介质层；

在半导体有源结构和第一介质层表面沉积金属电极和波导结构；

在所沉积的金属电极和波导结构上刻蚀出定向耦合结构；

在定向耦合结构一侧沉积第二介质层；

在第二介质层表面制备石墨烯结构；

在石墨烯结构表面沉积石墨烯的金属电极和波导结构；

在衬底底面沉积背电极。

优选地，所述半导体有源结构的生长方法为金属有机化学气相沉积技术；

优选地，所述第一介质层的沉积方法为等离子体增强化学气相沉积法；优选地，所述等离子体增强化学气相沉积法的温度为100-180℃。

优选地，所述定向耦合输出结构的制备方法为聚焦离子束刻蚀法；

优选地，所述第二介质层的制备方法是利用光刻或电子束曝光、等离子体增强化学气相沉积介质并带胶剥离的方法；

优选地，所述石墨烯结构的制备方法为微机械剥离法或者化学气相沉积法；

优选地，所述石墨烯的金属电极和波导结构的制备方法为利用电子束曝光方法得到电极图案，然后沉积金属层并带胶剥离的方法。电子束曝光方法得到电极图案：精确定位电极的位置和图案。沉积金属层并带胶剥离可以得到需要的金属电极结构。

本发明的有益效果如下：

1)本发明的一种表面等离激元电致激发和电学调制集成器件，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。

2)本发明的一种表面等离激元电致激发和电学调制集成器件，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，在金属电极和波导结构、第二介质层、石墨烯结构和石墨烯的金属电极和波导结构构成的类场效应管结构中，通过调解石墨烯所加栅电压实现对电致激发表面等离激元传播的宽带、高速调制。

3)本发明的一种表面等离激元电致激发和电学调制集成器件的制作方法，工艺简单，便于集成，具有重要的研究价值和应用前景。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1A示出根据本发明实施例1所制表面等离激元电致激发和电学调制集成器件结构的截面示意图，图1B示出根据本发明实施例1所制的形成在半导体衬底上的半导体有源结构俯视结构示意图。

图2示出根据本发明实施例1所制表面等离激元电致激发和电学调制集成器件的制备工艺流程图：图2A示出半导体量子阱外延片上刻蚀得到的长方形结构的示意图；图2B示出刻蚀后的外延片未去胶的情况下、沉积介质并带胶剥离的示意图；图2C示出沉积金属、聚焦离子束刻蚀，或者光刻、沉积金属、带胶剥离制备出带有定向耦合结构的金属电极结构的示意图；图2D示出光刻、沉积金属、带胶剥离制备出介质隔离层的示意图；图2E示出将石墨烯转移到该外延片的示意图；图2F示出电子束曝光得到石墨烯电极图案、沉积金属并带胶剥离的示意图。

图3A示出根据本发明实施例1所制定向耦合输出结构的非对称沟槽结构的截面结构示意图；图3B示出根据本发明实施例1所制定向耦合输出结构的非对称沟槽结构的俯视结构示意图；图3C示出根据本发明实施例2所制定向耦合输出结构的非对称槽-槽结构的截面结构示意图；图3D示出根据本发明实施例2所制定向耦合输出结构的非对称槽-槽结构的俯视结构示意图

图4A示出根据本发明实施例1所制石墨烯的金属电极和波导结构压在石墨烯结构两侧的俯视结构示意图；图4B示出根据本发明实施例2所制包括槽的条形金属结构压在石墨烯结构之上的俯视结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

以波长λ≈1.55μm的磷化铟(InP)基量子阱材料为例，结合附图来说明本发明所述表面等离激元电致激发和电学调制集成器件结构及其制作工艺。

图1A是表面等离激元电致激发和电学调制集成器件的结构示意图。包括半导体衬底101、形成在半导体衬底101上的半导体有源结构102、形成在半导体有源结构102周围的第一介质层103(如图1B所示)、形成在半导体有源结构102和第一介质层103上的金属电极和波导结构104，其中形成有定向耦合结构105、形成在金属电极和波导结构104上的第二介质层106、形成在第二介质层106上的石墨烯结构107、形成在石墨烯结构107上的石墨烯的金属电极和波导结构108、形成在半导体衬底101背面的背电极110。

其中，衬底101采用InP基材料，半导体有源结构102采用InGaAsP基材料。

基于近场耦合作用在对InGaAsP有源结构102电注入的条件下产生半导体-金属界面的表面等离激元；该电致激发的表面等离激元通过定向耦合结构105激励金属电极和波导结构104上界面上的表面等离激元，并使之沿金属电极和波导结构104单一方向传播。在金属电极和波导结构104、第二介质层107和石墨烯的金属电极和波导结构108构成的类场效应管结构中，通过石墨烯的金属电极和波导结构108改变石墨烯结构107所加栅压，使石墨烯结构107的费米能级、介电常数变化，进而调制表面等离激元的传播，实现对电致激发表面等离激元的电学调制。

采用金属有机化学气相沉积技术在长有InP缓冲层的N型InP衬底上依次生长InGaAsP垒层、InGaAsP阱层、InGaAsP垒层、P型欧姆接触层InGaAs，各层的厚度分别约为8-15nm、4-10nm、8-15nm、30-50nm。其中，为了实现基于近场耦合作用的表面等离激元电致激发，要求InGaAsP阱层与金属-介质界面的距离不超过80nm。

图2为表面等离激元电致激发和电学调制集成器件的制备工艺流程图，主要有以下步骤：

(1)如图2A所示，在上述半导体外延材料上进行光刻工艺，留下长方形的光刻胶图案115，大小约200-500μm×100-200μm；以光刻胶图案115为掩模，刻蚀半导体外延材料，从欧姆接触层InGaAs向下刻蚀到InP缓冲层，刻蚀深度大于100nm；刻蚀得到InGaAsP有源结构102。半导体有源结构102为形成在半导体衬底101上的凸起长方形结构，其边缘不超出半导体衬底101的边缘。

(2)如图2B所示，在未去掉光刻胶图案115的情况下，用等离子体增强化学气相沉积法在100-180℃的温度下沉积SiO₂第一介质层103并带胶剥离，第一介质层103的厚度与刻蚀深度一致，得到具有平整表面的器件结构。第一介质层103的边缘不超出半导体衬底101的边缘。

(3)然后，如图2C所示，在InGaAsP有源结构102、第一介质层103上沉积金属Au，得到金属电极和波导结构104，再利用聚焦离子束刻蚀制备出定向耦合结构105；其中，金属电极和波导结构104的厚度为200-300nm。如图3A和图3B所示，该定向耦合结构105由沟111、槽112组成，其中，沟111的长宽约1-2μm、400-800nm；槽112的长度与沟111相同，槽112宽度300-1000nm，槽112深度约为Au层的厚度的60-80%。结合图2C、3A、3B、4A所示，金属电极和波导结构104的边缘不超出半导体衬底101的边缘。定向耦合输出结构105中槽112的厚度不超过金属电极和波导结构104的厚度。(4)如图2D所示，在激发源的金属电极和波导结构104上，利用光刻或电子束曝光、等离子体增强化学气相沉积SiO₂介质并带胶剥离的方法，在定向耦合结构105的一侧制备出SiO₂第二介质层106，厚度40-80nm，表面尽量平整、粗糙度小于1-5nm。结合图2D、3A、3B、4A所示，第二介质层106不遮挡定向耦合输出结构105，且其一侧边缘与定向耦合输出结构105中槽的边缘处于同一垂直平面；第二介质层106的边缘不超出金属电极和波导结构104的边缘。

(5)随后如图2E所示，利用微机械剥离法或者化学气相沉积法得到石墨烯107，并转移到SiO₂第二介质层106上得到石墨烯结构107，边长大小约5-20μm。结合图2E、4A所示，石墨烯结构(107)的边缘不超出第二介质层(106)的边缘。(6)如图2F所示，利用具有精确定位功能的电子束曝光方法，得到石墨烯结构107所需要的电极图案，然后沉积厚度50-100nm的金层并带胶剥离，制备出石墨烯结构107的金属电极和波导结构108。其中，石墨烯的金属电极和波导结构108与石墨烯结构107的相对位置关系如图4A所示，石墨烯的金属电极和波导结构108压在石墨烯结构107的两侧，这样在石墨烯结构107针对金属-介质模式的表面等离激元传播进行调制。结合图2F、4A所示，石墨烯的电极和波导结构108压在石墨烯结构107两侧，不超出金属电极和波导结构104的边缘，垂直但不遮挡定向耦合输出结构105。

(7)在器件背面，如图2F所示，在InP衬底一侧的表面沉积金属Ti/Au作为背电极110，Ti/Au的厚度分别为5-10nm/60-120nm，其中，Ti层可以增加Au层与InP衬底的粘附性。

在金属电极和波导结构104和背电极110施加直流电压对InP基InGaAsP量子阱注入电流，激发金属-介质界面的表面等离激元；在金属电极和波导结构104、第二介质层106、石墨烯结构107和石墨烯的金属电极和波导结构108构成的类场效应管结构中，通过石墨烯的金属电极和波导结构108改变石墨烯的栅压，调制石墨烯的费米能级和介电常数，实现对电致激发表面等离激元的电学调制，该调制具有调制速度快、调制带宽大的特性。整个器件具有结构简单、便于集成的优点。

实施例2

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，重复实施例1，其不同之处在于：

金属电极和波导结构104的厚度为150-250nm。定向耦合结构105由非对称的槽113、槽114组成，如图3C和图3D所示，其中，槽113的长约200-500nm、宽约80-150nm；槽114的长度为500-1000nm、宽度为80-150nm，槽113、槽114的中心距离为200-400nm。定向耦合输出结构105中槽113和槽114的厚度不超过金属电极和波导结构104的厚度。

第二介质层106采用原子层沉积生长的材料-氧化铝(Al₂O₃)，生长时温度100-140℃，厚度40-80nm，表面平整、粗糙度小于1nm。

石墨烯的金属电极和波导结构108与石墨烯结构107的相对位置关系如图4B所示，石墨烯的电极和波导结构108完全覆盖石墨烯结构107，且其边缘不超出第二介质层106的边缘。为了散射被调制后的表面等离激元，同时可以观察、测试所传播的表面等离激元，在石墨烯结构107上制备出包含槽的条形金属结构109，如图4B所示。包含槽的条形金属结构109位于石墨烯的电极和波导结构108之间，外边缘不超过石墨烯结构107，厚度不超过石墨烯的电极和波导结构108。这样在石墨烯结构107针对金属-介质-金属模式的表面等离激元传播进行调制。

背电极110为金属Cr/Au，Cr/Au的厚度分别为5-10nm/60-120nm，其中，Cr层可以增加Au层与InP衬底的粘附性。

结论：通过半导体量子阱材料实现实现表面等离激元的电致激发，通过金属电极和波导结构、第二介质层、石墨烯结构和石墨烯的金属电极和波导结构构成的类场效应管结构实现对电致激发表面等离激元传播的宽带、高速调制，所有的结构相互配合，协同作用，使其在作用效果最优，缺少任何一种结构都会使电致激发和电学调制效果在某些方面有不同程度的减弱。本发明的产品不仅实现了具有介质-金属波导模式的电致激发表面等离激元，而且实现了对电致激发表面等离激元调制。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。