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
【专利摘要】本发明公开一种具有介质-金属近场耦合结构的表面等离激元电致激发源，包括衬底、半导体量子阱外延层、金属层和耦合输出结构；所述半导体量子阱外延层负载在衬底表面；所述金属层负载在半导体量子阱外延层表面，所述耦合输出结构位于金属层中。本发明还公开了其制作方法，包括在衬底上生长半导体量子阱外延层；在所生长的半导体量子阱外延层上刻蚀出器件单元；在所刻蚀出的器件单元上沉积金属层；在所沉积的金属层中制备耦合输出结构。本发明的表面等离激元电致激发源采用半导体量子阱材料作为有源介质，基于近场耦合原理，量子效率高、发光波长范围大、激发效率高、制作工艺简单，便于集成，具有巨大的研究价值和应用前景。
【专利说明】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
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]2008年奥地利D.M.KolIer等首次报道了基于电注入的0LED、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[NaturePhoton.，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。
[0006]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。
[0007]2010年比利时P.Neutens等基于GaAs量子讲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[NanoLett.，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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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】
[0011]本发明的一个目的在于提供一种具有介质-金属近场耦合结构的表面等离激元电致激发源。该激发源基于近场耦合原理，以半导体量子阱外延材料作为有源材料，量子效率高，发光波长范围大。在施加电注入后产生电子-空穴对，近场耦合激发金属和介质界面的表面等离激元，由耦合输出结构散射输出，沿耦合输出结构两侧的金属-空气界面的波导传播，波导结构类型为金属-空气，传播距离远。金属层在有源介质层的近场作用范围，介质-金属近场耦合，耦合效率高，便于集成。同时利用离子束刻蚀工艺制备金属层上的耦合输出结构，极大地简化了制备过程，工艺简单，得到了纯粹的激发源结构，便于器件集成，为表面等离激元集成回路的发展奠定基础。
[0012]本发明的另一个目的在于提供一种具有介质-金属近场耦合结构的表面等离激元电致激发源的制作方法。
[0013]为达到上述第一个目的，本发明采用下述技术方案:
[0014]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，包括衬底、半导体量子阱外延层、金属层和耦合输出结构；所述半导体量子阱外延层负载在衬底表面；所述金属层负载在半导体量子阱外延层表面，所述耦合输出结构位于金属层中。半导体量子阱外延层具有宽发光波长范围、高量子效率的特点，能够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，达到高效利用激发表面等离激元的效果。
[0015]优选地，所述半导体量子阱外延层包括量子阱结构层和P型欧姆接触层；更优选地，所述量子阱结构层负载在衬底表面，所述P型欧姆接触层位于量子阱结构层与金属层之间。
[0016]优选地，所述量子阱结构层包括垒层、量子阱层和垒层；更优选地，所述量子阱层位于两垒层之间。
[0017]优选地，所述半导体量子阱外延层为GaAs基材料，一般地，其工作波长范围是600_1000nm。量子讲层与金属层的距离为30_40nm,金属层的厚度为80_100nm。对于GaAs基材料，量子阱层与金属层的距离在30-40nm范围内，两者有比较强的近场耦合作用，避免了光学模式的产生，并且减小淬灭效应的影响。金属层既做电极，同时又构建了传导表面等离激元的金属-空气波导结构。金属层的厚度大小影响上下两个界面上表面等离激元的耦合，在80-100 nm范围内其对衰变速率的影响出现最佳效果。
[0018]优选地，所述半导体量子阱外延层为InP基材料，对于InP基量子阱材料，一般地，其工作波长范围是900-1700nm。和GaAs基量子阱材料比较，由于工作波长较长，相应地，金属层和量子阱层的近场耦合距离范围也增大，金属层上下界面表面等离激元模式耦合所允许的金属层厚度也变大。具体地，量子阱层与金属层的距离为40-60nm，金属层的厚度为90_120nm。
[0019]优选地，所述半导体量子阱外延材料为GaN基材料，对于GaN基量子阱材料，一般地，其工作波长范围是300-600nm。和GaAs基量子阱材料比较，由于工作波长短，相应地，金属层和量子阱层的近场耦合距离范围也减小，金属层上下界面表面等离激元模式耦合所允许的金属层厚度也变小。具体地，量子阱层与金属层的距离为25-35nm，金属层的厚度为60_90nm。
[0020]优选地，所述耦合输出结构为光栅或孔洞阵列。
[0021]为达到上述第二个目的，本发明采用下述技术方案:
[0022]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的制作方法，其特征在于，包括如下步骤:
[0023]在衬底上生长半导体量子阱外延层；
[0024]在所生长的半导体量子阱外延层上刻蚀出器件单元；
[0025]在所刻蚀出的器件单元上沉积金属层；
[0026]在所沉积的金属层中制备耦合输出结构。
[0027]优选地，所述器件单元的刻蚀方式为先在衬底上光刻出图案，再湿法腐蚀或干法刻蚀外延层，直到衬底，得到器件单元。该刻蚀方式的目的在于减小注入电流扩散，在较低注入电流下即可实现表面等离激元的激发。
[0028]优选地，所述耦合输出结构的制备方法为离子束刻蚀金属层；更优选地，所述耦合输出结构的制备方法为电子束曝光出结构图案、离子束刻蚀得到耦合输出结构，或为聚焦离子束直接刻蚀得到耦合输出结构。采用离子束刻蚀的方法，抑制了耦合输出结构间隙下半导体材料发光的直接透射，所得到的是纯粹的表面等离激元激发源。
[0029]本发明的有益效果如下:
[0030]I)本发明的一种具有介质-金属近场耦合结构的表面等离激元电致激发源采用半导体量子阱外延材料作为有源介质，发展基于近场耦合原理、便于集成的表面等离激元电致激发源，量子效率高、发光波长范围大，相比于专利CN103050591A公开的三明治夹心结构激发源，介质-金属的近场耦合结构使得该激发源激发效率更高，表面等离激元沿金属-空气界面波导结构传播距离更远，为表面等离激元集成回路的发展奠定基础。
[0031]2)本发明的一种基于近场耦合原理的表面等离激元电致激发源的制作方法，与专利CN103050591A公开的技术方案相比，极大地简化了制备过程，工艺简单，便于器件集成，可以得到纯粹的表面等离激元，在等离激元集成回路方面具有重要的研究价值和应用前旦
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【专利附图】
【附图说明】
[0032]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。
[0033]图1示出具有介质-金属近场耦合结构的表面等离激元电致激发源结构示意图。
[0034]图2(a)示出衰变速率随量子阱层到金属层距离的变化曲线；图2(b)示出衰变速率随金属层厚度的变化曲线。
[0035]图3示出表面等离激元电致激发源在电致激发下的远场光谱图。
[0036]图4不出器件典型的金属光栅结构扫描电镜图。
[0037]图5示出表面等离激元电致激发源器件在不同偏振下的远场光学成像图。
[0038]图6(a)示出半导体量子阱外延材料的结构示意图；图6(b)示出刻蚀得到的器件单元的示意图；图6((:)示出在器件单元的台面上沉积金属层的示意图；图6((1)示出光刻纳米图案、离子束刻蚀得到具有耦合输出结构器件的示意图。
【具体实施方式】
[0039]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。
[0040]实施例1
[0041]以波长范围为0.5-1 μ m的GaAs基半导体量子阱外延材料为例，结合附图来说明本发明所述的一种具有介质-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。
[0042]图1是表面等离激元电致激发源的结构示意图。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，包括衬底101、半导体量子阱外延层、金属层106和耦合输出结构107 ;所述半导体量子阱外延层负载在衬底101表面；所述金属层106负载在半导体量子讲外延层表面，所述稱合输出结构107位于金属层106中。
[0043]所述半导体量子阱外延层包括量子阱结构层和P型欧姆接触层105 ;所述量子阱结构层负载在衬底101表面，所述P型欧姆接触层105位于量子阱结构层与金属层106之间。
[0044]所述量子阱结构层包括垒层102、量子阱层103和垒层104 ;所述量子阱层103位于两垒层之间。
[0045]所述金属层106的材料可以为金属单质或复合金属；优选地，金属层106的材料为Au。
[0046]该电致激发源采用半导体量子阱材料作为有源介质，波导结构类型为介质-金属-空气。在施加电注后半导体量子阱层103产生电子-空穴对，近场耦合激发金属层106和P型欧姆接触层105界面的表面等离激元，由光栅结构107散射输出，沿光栅两侧的金属层106-空气界面的表面等离激元波导传播。
[0047]电激励所产生的电子-空穴对的衰变影响表面等离激元的产生。电子-空穴对的衰变速率随量子阱层103-金属层106距离的变化如图2(a)所示。由图2(a)知，衰变速率随着两者距离从1nm增加而增大，并在距离为30-40nm时出现最大峰值，这是因为当两者距离太近时金属层106对电子-空穴对产生严重的淬灭效应。当量子阱层103-金属层106距离继续增大时，衰变速率先减小、再增大，并当距离约为140nm时再次达到峰值。周期出现峰值的原因是量子阱层103中电子-空穴对和金属层106的干涉效应。为了有效激发表面等离激元，量子阱层103-金属层106距离约为30-40nm，在该距离范围内，量子阱层103和金属层106有比较强的近场耦合作用，避免了光学模式的产生，而且减小淬灭效应的影响。同时，金属层106的厚度大小影响上下两个界面上表面等离激元的耦合，其对衰变速率的影响如图2(b)所示。由图2(b)知，随着金属层106厚度从30nm开始增大，在金属层106厚度为80-100nm时，辐射衰变速率和总衰变速率出现峰值，所以，金属层106的最佳厚度是 80_100nm。
[0048]图3为在远场采集该激发源器件的光栅散射光谱，在5mA的注入电流强度下，该表面等离激元激发源的典型光谱图。如图所示，在750nm波长处有最大峰值，这表明该激发源器件的工作中心波长为750nm。
[0049]图4是典型器件的金属光栅结构107扫描电镜图；相应器件在750nm波长处的散射光成像如图5所示，其中，图5 (a)是收集光路中没有偏振时的成像图，图5 (b)、图5 (c)是收集光路中分别有竖直方向和水平方向偏振时的成像图，该偏振特性与表面等离激元的散射特性一致。由图5可知，在散射光栅结构107的区域中心部分为暗，表明在中心区域处没有表面等离激元的产生和散射。产生此种现象的原因在于刻蚀光栅时，离子束的高能轰击使得光栅间隙下对应的量子阱层103的电子-空穴对的激发受到损害，阻止了在光栅刻蚀区域表面等离激元的产生。这样避免了半导体发光材料的直接透射，所得到的是纯粹的表面等离激元激发源；相反，根据文献[Opt.Exp.，20，8710-8717，2012]所报道的结果，半导体LED发光的直接透射非常强，严重影响表面等离激元电致激发源在器件集成中的应用。
[0050]图6是表面等离激元电致激发源制备工艺流程图，主要有以下步骤。(I)采用有机金属化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)生长半导体量子阱外延材料。该外延材料的结构如图6 (a)所示，GaAs衬底101上依次是AlGaAs垒层102、GaAs量子阱层103、AlGaAs垒层104、P型GaAs欧姆接触层105。优选地，AlGaAs垒层102和AlGaAs垒层104的厚度为10-20nm，GaAs量子阱层103厚度为8_10nm，p型GaAs欧姆接触层105厚度为20_30nm。其中，垒层102/量子阱层103/垒层104构成量子阱结构层，该量子阱结构层采用具有张应变的量子阱材料制备，激发后以横磁(TM)模为主，电场垂直于平面方向，利于表面等离激元的产生。(2)在所生长的半导体量子阱外延材料上首先光刻出方块形或圆形等不同形状、一定大小的图案，再经过湿法腐蚀或干法刻蚀外延层(含P型欧姆接触层105/垒层104/量子阱层103/垒层102)，一直腐蚀或刻蚀到衬底101，形成即将进行器件制备的结构单元。这样做的目的在于减小注入电流扩散，在较低注入电流下即可实现表面等离激元的激发。(3)采用蒸发或者溅射沉积的方法，在所制备的结构单元上沉积金属层106。优选地，金属层材料为Au，厚度约80-100nm，量子阱层103和金属层106的距离约30_40nm。(4)在所沉积的金属层106上，首先采用电子束曝光制备出光栅结构107的图案，再采用Ar+离子束刻蚀工艺对金属层106进行刻蚀，得到光栅结构107。所制备器件的圆形光栅扫描电镜图如图4所示。在该工艺步骤中，还可以利用聚焦离子束工艺直接进行光栅结构107的刻蚀制备。在上述器件结构中，金属层106既作为波导结构，同时又是用于注入电流的电极层。在完成上述器件结构制作后，为了形成完整的电注入系统，通常利用蒸发或者溅射的方法在该器件背面即衬底101底侧沉积金属层108,作为另一电极层。金属层108的材料为Cr/Au或Ti/Au，Cr或Ti的厚度范围为2-10nm，Au的厚度大于40nm即可。
[0051]实施例2
[0052]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，重复实施例1，其不同之处在于:所述半导体量子阱外延层为波长范围0.9-1.6 μ m的InP基材料；由于工作波长增大，量子阱层103与金属层106的最佳距离约40-60nm，金属层106的厚度约90-120nm。所述耦合输出结构为孔洞阵列。
[0053]实施例3
[0054]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，重复实施例1，其不同之处在于:所述半导体量子阱外延层为波长范围0.4-0.6μ m的GaN基材料；由于工作波长短，量子阱层103与金属层106的最佳距离约25-35nm，金属层106的厚度约60-90nm。所述稱合输出结构为光栅结构。
[0055]本发明所述一种具有介质-金属近场耦合结构的表面等离激元电致激发源的制备方法中，首先采用电子束曝光或光刻工艺在量子阱外延层上得到耦合输出结构的图案，然后沉积金属，再采用带胶剥离的方法，同样可以实现该器件。但是，在光栅结构间隙下的量子阱层会直接透射光，影响所激发表面等离激元的纯粹程度。
[0056]本发明所述制备方法中，为了增强金属层的粘附性，在沉积Au层前先沉积l_5nm厚的Cr或Ti金属层，同样可以实现该器件。但是，加入Cr或Ti层会增加器件损耗。
[0057]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。
【权利要求】
1.一种具有介质-金属近场耦合结构的表面等离激元电致激发源，其特征在于:包括衬底、半导体量子阱外延层、金属层和耦合输出结构；所述半导体量子阱外延层负载在衬底表面；所述金属层负载在半导体量子讲外延层表面，所述稱合输出结构位于金属层中。
2.根据权利要求1所述的一种具有介质-金属近场耦合结构的表面等离激元电致激发源，其特征在于:所述半导体量子阱外延层包括量子阱结构层和P型欧姆接触层；优选地，所述量子阱结构层负载在衬底表面，所述P型欧姆接触层位于量子阱结构层与金属层之间。
3.根据权利要求2所述的一种具有介质-金属近场耦合结构的表面等离激元电致激发源，其特征在于:所述量子阱结构层包括垒层、量子阱层和垒层；优选地，所述量子阱层位于两垒层之间。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种具有介质-金属近场耦合结构的表面等离激元电致激发源，其特征在于:所述半导体量子阱外延层为GaAs基材料，量子阱层与金属层的距离为30_40nm,金属层的厚度为80_100nm。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种具有介质-金属近场耦合结构的表面等离激元电致激发源，其特征在于:所述半导体量子阱外延层为InP基材料，量子阱层与金属层的距离为40_60nm,金属层的厚度为90_120nm。
6.根据权利要求1、2或3所述的一种具有介质-金属近场耦合结构的表面等离激元电致激发源，其特征在于:所述半导体量子阱外延层为GaN基材料，量子阱层与金属层的距离为25_35nm,金属层的厚度为60_90nm。
7.根据权利要求1所述的一种具有介质-金属近场耦合结构的表面等离激元电致激发源，其特征在于:所述耦合输出结构为光栅或孔洞阵列。
8.如权利要求1所述的一种具有介质-金属近场耦合结构的表面等离激元电致激发源的制作方法，其特征在于，包括如下步骤: 在衬底上生长半导体量子阱外延层； 在所生长的半导体量子阱外延层上刻蚀出器件单元； 在所刻蚀出的器件单元上沉积金属层； 在所沉积的金属层中制备耦合输出结构。
9.根据权利要求8所述的一种具有介质-金属近场耦合结构的表面等离激元电致激发源的制作方法，其特征在于:所述器件单元的刻蚀方式为先在衬底上光刻出图案，再湿法腐蚀或干法刻蚀外延层，直到衬底，得到器件单元。
10.根据权利要求8所述的一种基于近场耦合原理的表面等离激元电致激发源的制作方法，其特征在于:所述耦合输出结构的制备方法为离子束刻蚀金属层；优选地，所述耦合输出结构的制备方法为电子束曝光出结构图案、离子束刻蚀得到耦合输出结构，或为聚焦离子束直接刻蚀得到耦合输出结构。
【文档编号】H01L33/06GK104269472SQ201410559595
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月20日 优先权日:2014年10月20日
【发明者】李敬, 孟祥敏 申请人:中国科学院理化技术研究所