专利名称：一种集成的表面等离子波发生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在光子集成、传感等领域应用的可集成的表面等离子波发生器的器件结构，属于集成光电子技术领域。
背景技术：
表面等离子波(Surface plasmon polariton(SPP)，图1)是一种沿金属和介质界面传播的电磁场，在介质中它的振幅随着离开界面的距离指数衰减。SPP是一种表面波，它的场能量集中在金属和介质界面的附近，这使得在金属表面的场很强，对于表面的形态非常敏感。在生化传感器方面有着广泛的应用前景。同时，SPP的本征二维特性使得它在光子集成方面显示出了较大的灵活性和适用性，在光通信以及光器件的全光集成功能芯片的研究中展示了很好的潜力。由于SPP相关的电磁场的表面特性，使得基于光控的非线性表面等离子极元光学可以通过设计合适的金属表面SPP波导来较容易地实现。
传统的表面等离子波的激励方法是用一个棱镜系统通过产生消逝场来激励金属表面的等离子场。如图2所示，这种产生表面等离子波的方法需要外部光源、棱镜、转台等分离的元件，不仅体积大，调节困难，而且，稳定性差，严重限制了表面等离子波在信息、传感等领域应用的发展，成为表面等离子波应用中的一个技术瓶颈。
今年的Optics Express光学快报，第13卷，第三期中报道了表面等离子场端面激励方法，比起传统的表面消逝场激励方法，端面激励法为实现集成表面等离子波发生器提供了可能。图3是端面激励表面等离子场的数值模拟模型。Au薄膜上下是SiO2材料，激励光场位于金薄膜的端面附近，具有高斯型分布。图4为有限时域差分方法模拟的结果，可以看到，在金属薄膜端面附近的高斯型分布光场可以很好地在金属薄膜上激励起表面等离子场。
发明内容
本发明是为了解决传统的表面等离子波激励方法的体积大、所需元器件多、调节困难、稳定性差等问题而提供一种可集成的表面等离子波发生器。
本发明的特征之一在于该表面等离子波发生器是一种由作为半导体有源发光器件的半导体激光二极管和金属薄膜在同一个InP材料衬底上集成，且通过从该金属薄膜端面激励的方法产生表面等离子波的集成器件，所述金属薄膜是下述金、银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种的薄膜。
本发明的特征之二在于该表面等离子波发生器是一种由作为半导体有源发光器件的半导体发光二极管和金属薄膜在同一个InP材料衬底上集成，且通过从该金属薄膜端面激励的方法产生表面等离子波的集成器件，所述金属薄膜是下述金、银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种的薄膜。
本发明的特征之三在于该表面等离子波发生器是一种由作为半导体有源发光器件的半导体激光二极管和金属薄膜在同一个GaAs材料衬底上集成，且通过从该金属薄膜端面激励的方法产生表面等离子波的集成器件，所述金属薄膜是下述金、银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种的薄膜。
本发明的特征之四在于该表面等离子波发生器是一种由作为半导体有源发光器件的半导体发光二极管和金属薄膜在同一个GaAs材料衬底上集成，且通过从该金属薄膜端面激励的方法产生表面等离子波的集成器件，所述金属薄膜是下述金、银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种的薄膜。
由于本发明将半导体激光二极管或者半导体发光二极管与金属薄膜同时集成在同一种衬底材料上，通过结构的设计和工艺调节，将半导体激光二极管或者半导体发光二极管的出射光场控制在金属的端面或者特定的表面位置，使其高效率地激励起金属膜表面的等离子场，这样就不需要外部的激励光源和棱镜等分离元器件，而且，不需要外部位置调节，稳定性好，器件的尺度可以小于Imm，为表面等离子波在信息、传感，特别是光子集成等领域中的实际应用提供可能。
图1金属表面等离子波1.表面等离子波，2.介质，3.金属；图2传统的表面等离子波激励方法示意图4.棱镜，5.入射光，6.全反射光；图3端面激励表面等离子场数值模拟模型21.SiO2，31.Au薄膜，7.高斯分布的TM偏振光场；图4端面激励表面等离子场数值模拟图(图3为模拟模型)32.Ag薄膜；横坐标为场的传播方向，纵坐标为介质-金属膜-介质平面的垂直方向，颜色亮暗代表场的强弱。(a)为空间磁场的某一时刻分布，(b)为空间磁场的幅度分布；图5实施例1集成表面等离子发生器结构示意图81.InP衬底，82.InP缓冲层，83.InP覆盖层，91.InGaAsP MQW有源层，92.InGaAsP刻蚀停止层，93.InGaAsP波导层，10.刻蚀阻挡掩膜，11.电极；图6实施例2集成表面等离子发生器结构示意图121.GaAs衬底，122.GaAs缓冲层，123.GaAs覆盖层，131.AlGaInP MQW有源层，132.AlGaInP刻蚀停止层，133.AlGaInP波导层。
具体实施例方式
本发明是按照如下技术方案实现的首先需要进行结构的设计，确定金属薄膜与半导体有源发光器件发光区域的相对位置，使得表面等离子波激励效率达到最高。在III-V族半导体的衬底上外延生长出有源发光器件所需要的电流注入层结构以及有源层，并且在有源区的上方或下方，按照设计生长出刻蚀停止层，用于精确控制有源区和金属薄膜在纵向上的相对位置。之后，用湿法或干法刻蚀的方法刻蚀出等离子波导部分，再在其上溅射上选择好的金属膜，同时，在有源发光器件部分的上下表面上制作正负出电极。
实施例1本发明的可集成表面等离子波发生器的基本结构如图5所示。选择n型InP衬底81，在其上以次生长2μm厚的n型InP缓冲层82；50nm厚的InGaAsP刻蚀停止层92，波长1.5μm的InGaAsP MQW有源层91夹在波长1.3μm的InGaAsP波导层93的中间，上下波导层的厚度分别是30nm和100nm；之后生长2μm的p型InP覆盖层83。在InP上表面300μm宽的区域中上涂敷100nm厚的光刻胶作为刻蚀阻挡掩膜10。对掩膜之外的部分进行干法刻蚀，刻蚀的目的是用来形成等离子波导部分，刻蚀将在刻蚀停止层92处停止，在其上溅射Au薄膜31(50nm)；然后去掉掩模10，在器件的上下表面溅射正负电极11。通过电极11加上偏置电流后，有源区91将会有受激辐射发生，出射的光场将在Au薄膜31的端面附近激励起表面等离子场，从而在Au薄膜31的表面上形成表面等离子波的传播。偏置电流越大，产生的光场越强，激励起的表面等离子波就越强。该器件作为一种单芯片集成的表面等离子波发生器，体积只有300μm宽1mm长，不再需要传统激励方法中的光源、棱镜等分立元器件，激励表面电磁波的效率有器件结构的设计以及工艺控制来决定，体积小，特性稳定，无需调节，只要提供外部工作电流即可提供一定功率的表面等离子波。
实施例2本发明的另一实施例结构如图6所示。选择n型GaAs衬底121，在其上以次生长2μm厚的n型GaAs缓冲层122；50nm厚的GaInP刻蚀停止层132，波长650nm的AlGaInP MQW有源层131夹在AlGaInP波导层133的中间，上下波导层的厚度是100nm；之后生长2μm的p型GaAs覆盖层123。在GaAs上表面300μm宽的区域中上涂敷100nm厚的光刻胶作为刻蚀阻挡掩膜10。对掩膜之外的部分进行干法刻蚀，刻蚀的目的是用来形成等离子波导部分，刻蚀将在刻蚀停止层132处停止，在其上溅射Au薄膜31(50nm)；然后去掉掩模10，在器件的上下表面溅射正负电极11。通过电极11加上偏置电流后，有源区131将会有受激辐射发生，出射的光场将在Au薄膜31的端面附近激励起表面等离子场，从而在Au薄膜31的表面上形成表面等离子波的传播。这种材料的辐射的光场波长在650nm前后，比实施例1中所述结构的辐射光场波长要短，能量大，激励起的表面等离子场也具有较短的波长。
权利要求
1.一种集成的表面等离子波发生器，其特征在于，该表面等离子波发生器是一种由作为半导体有源发光器件的半导体激光二极管和金属薄膜在同一个InP材料衬底上集成，且通过从该金属薄膜端面激励的方法产生表面等离子波的集成器件，所述金属薄膜是下述金、银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种的薄膜。
2.一种集成的表面等离子波发生器，其特征在于，该表面等离子波发生器是一种由作为半导体有源发光器件的半导体发光二极管和金属薄膜在同一个InP材料衬底上集成，且通过从该金属薄膜端面激励的方法产生表面等离子波的集成器件，所述金属薄膜是下述金、银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种的薄膜。
3.一种集成的表面等离子波发生器，其特征在于，该表面等离子波发生器是一种由作为半导体有源发光器件的半导体激光二极管和金属薄膜在同一个GaAs材料衬底上集成，且通过从该金属薄膜端面激励的方法产生表面等离子波的集成器件，所述金属薄膜是下述金、银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种的薄膜。
4.一种集成的表面等离子波发生器，其特征在于，该表面等离子波发生器是一种由作为半导体有源发光器件的半导体发光二极管和金属薄膜在同一个GaAs材料衬底上集成，且通过从该金属薄膜端面激励的方法产生表面等离子波的集成器件，所述金属薄膜是下述金、银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种的薄膜。
全文摘要
本发明属于光电子技术领域，其特征在于，它把半导体激光二极管或者半导体发光二极管与金属薄膜同时集成在同一种衬底材料上，通过结构的设计和工艺调节，将半导体激光二极管或者半导体发光二极管的出射光场控制在金属的端面或者特定的表面位置，使其高效率地激励起金属膜表面的等离子场，这样就不需要外部的激励光源和棱镜等分离元器件，而且，不需要外部位置调节，稳定性好，器件的尺度可以小于1mm，为表面等离子波在信息、传感，特别是光子集成等领域中的实际应用提供可能。
文档编号G01N23/00GK1804587SQ200610011188
公开日2006年7月19日 申请日期2006年1月13日 优先权日2006年1月13日
发明者黄翊东, 刘仿, 张巍, 彭江得 申请人:清华大学