[发明专利]电泵键合硅基表面等离激元混合光源及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电子器件领域中电泵表面等离激元光源器件及其制备方法，特别是涉及采用键合方法制备的电泵硅基表面等离激元混合光源。

背景技术

随着硅基超大规模集成电路的集成度的提高，半导体电子材料的物理极限问题日益突显。仅依靠电子器件，难以长久延续摩尔定律。然而，处于当今信息大爆炸时代的人们，对信息的传输、处理和存储能力的要求越来越高。此外，基于铜导线的电互连随着其集成度的进一步提高，能耗也将急剧增加。全球能源的紧张，使得人们希望在极大地提高信息的处理速度和存储容量的同时，能够进一步的降低能耗。硅光子学，特别是硅基光互连的快速发展让人们看到了延续摩尔定律的曙光。

近些年来，光互连取得了很大的进展。尽管人们已经通过直接键合、聚合物键合、金属键合和选区金属键合等方法将III-V族激光器键合在硅基上，实现了硅基光互连。但是，III-V族激光器的尺寸远大于电子器件尺寸，光互连的集成度难以大幅提高。最近人们提出了表面等离激元光源的概念，可将光源器件尺寸缩减到纳米量级。传统的MIM(金属-介质-金属)，IMI(介质-金属-介质)结构的表面等离激元要么存在损耗大，传播距离短的问题，要么存在光限制作用小，器件尺寸无法缩小的问题。2008年，有学者提出了表面等离激元混合激光器的结构，可以将激光器的尺寸缩小到纳米量级的同时实现较长的传播距离。但是到目前为止，只能实现光泵形式的表面等离激元混合光源，并且没有集成在硅基上。电泵硅基表面等离激元混合光源器件至今仍未提出。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种可以实现电泵激发的纳米尺寸的键合硅基表面等离激元混合光源。这种光源具有尺寸小、集成度高、传播距离长、能实现电泵激发和方便地与硅基集成等优点。

本发明的特色在于：在SOI的波导结构上沉积贵金属层和低介电常数介质层，制备出表面等离激元(SPP)波导，然后将TM模为主的半导体光增益结构键合在其上。半导体光增益结构与贵金属层和低介电常数介质层形成一个混合波导结构，该结构能承载低损耗、小尺寸的表面等离激元混合模式。

本发明的结构示意图如1(j)所示，自下而上依次为SOI，贵金属层、低介电常数介质层、键合层和半导体光增益结构。在本结构中，我们采取选区金属键合方法，即首先在SOI上制备出SPP波导结构，然后在SPP波导两侧2-10μm的范围之外，沉积键合金属，作为金属键合区。在SOI上制备SPP波导时，先要在SOI上刻蚀出硅波导，然后再沉积贵金属层和低介电常数介质层。在本结构中，我们选择金作为贵金属层，厚度范围为20nm-500nm，选择碳化硅作为低介电常数介质层，厚度范围为2nm-200nm。键合层采用Cr/AuSn多层结构，厚度范围为200nm-6μm。其中，Cr的作用是提高AuSn合金与SOI的黏附性，一般厚度为5nm-20nm。AuSn的厚度范围为200nm-6μm，它除了作为键合媒介外，也作为半导体光增益结构的电极(键合层也可以用聚合物)。在本结构中，我们所选择的半导体光增益结构为在n型InP衬底上外延的张应变量子阱的InP基半导体光增益结构。该半导体光增益结构具有常规激光器的上下SCH(分别限制)层和MQW(多量子阱)层。

这种电泵键合硅基表面等离激元混合光源的制备方法，包括如下步骤：

1)在SOI上制备出SPP波导结构：先在SOI上刻蚀出Si波导，然后再从下到上依次沉积贵金属层和低介电常数介质层；

2)在SOI上制备键合层：除SPP波导及其附近较小的区域外，在SOI的其它区域制备键合层；

3)外延生长TM模为主的半导体光增益结构；

4)键合：以上述半导体光增益结构中最接近光增益区的面为键合面，利用键合机将上述半导体光增益结构的光增益区与SOI上的SPP波导对准，然后在适当的温度、时间和压力下键合，就制备出了电泵键合硅基表面等离激元混合光源。

所述SPP波导结构的宽度范围为20nm-5μm，高度范围为200nm-6μm。

所述贵金属层可为Au或Ag，其厚度范围为20nm-500nm。

所述低介电常数介质层可为SiC，CaF₂，MgF₂或SiO₂，其厚度范围为2nm-200nm。

所述SPP波导及其附近较小的区域，指的是SPP波导两侧宽度范围为2μm-10μm区域。