[发明专利]基于表面等离激元增强的高速光子集成芯片及制备方法

说明书

本发明是一种基于表面等离激元增强的高速光子集成芯片及制备方法，芯片以硅衬底LED外延片为载体，在硅衬底LED外延片上设置LED器件和光电探测器，LED器件和光电探测器之间通过波导相连，LED器件和光电探测器分别包括p‑n结、p型电极和n型电极。本发明将表面等离激元增强的LED器件、光波导和表面等离激元增强的光电探测器集成在同一芯片上，LED器件发出的光，侧向耦合进光波导，通过光波导传输，在波导另一端被光电探测器检测到，表面等离激元耦合作用可以提高LED器件的调制带宽和光电探测器的响应度，同时增大LED的发光谱和探测器响应谱的重叠程度，最终实现高速光子集成芯片。

技术领域

本发明涉及属于半导体光电子器件与集成领域，具体的说是涉及一种基于表面等离激元增强的高速光子集成芯片及制备方法。

背景技术

可见光通信技术是一种利用可见光进行数据通信的新型无线光传输技术，相对于传统无线通信技术，可见光通信技术具有带宽高、抗干扰性强、保密性好、无电磁辐射等优点。随着发光二极管的迅猛发展与普及，高速无线接入需求的日益增长，以及未来6G布局的拉动，可见光通信技术近年来得到了迅猛发展。氮化镓（GaN）基材料拥有优异的光学和电学性能，可以实现光源、波导和探测器的同质光子集成芯片，通过调制GaN 基光源，实现电光转换，将信号加载到调制光上，并耦合进GaN基光波导，通过波导传输至GaN基光电探测器，从而使光源发出的调制光被探测器感知，通过光电转换，实现电信号的输出，完成芯片内的信息传输，由于光在波导中传播时基本不产生热效应，这可用于芯片之间及其与系统之间的数据通信，并能够为解决集成芯片的能耗和热效应问题提供一种新的芯片方案。

光子集成芯片中LED的调制带宽主要由RC时间常数和载流子寿命决定，通过减小LED的尺寸，可以有效降低结电容和减小RC时间常数，从而提高LED的调制带宽, 然而这种方法同时也会降低LED的光输出功率；另一方面，尽管光子集成芯片中InGaN多量子阱可见光探测器已经取得了一些进展，但要实现商业化应用，依然面临很大的挑战，例如外延层材料质量差、高背景载流子浓度和多量子阱光吸收不足等问题，InGaN探测器仍然存在响应度低、响应速度慢等问题。

表面等离激元是金属表面电子在外界电磁场激发下共谐振荡形成的一种元激发模式，具有表面局域性和近场增强等特点，利用表面等离激元的共振耦合增强作用可以有效提高量子阱的自发辐射速率，相应地降低载流子的辐射复合寿命，即利用表面等离激元的耦合作用可以提高LED的发光效率和调制带宽；另一方面，当入射光与金属纳米结构中的自由电子发生共振时，产生的表面等离激元会导致强烈光散射和局域电场增强，这些效应将大大增加外延层中光生电子-空穴对的几率，从而有效增强光电探测器的探测性能。

ZL201911133039X公开了一种表面等离激元增强型InGaN/GaN多量子阱光电极，本发明采用自组装Ni掩模自上而下的刻蚀方法调控等离金属与多量子阱之间的距离，使之能产生近场耦合，在表面等离激元效应产生的电磁场与p-n区高掺杂浓度形成的内建电场的共同作用下，多量子阱有源区表面的电子空穴对产生和输运的效率有效提高。

ZL2009100307856公开了一种基于表面等离子体激元波导的集成光学光纤陀螺芯片利用表面等离子激元波导的传输特性实现光信号的长程传输单一偏振性，直接对表面等离子体激元波导芯层进行调制，并有特定结构消除漏光对光纤陀螺精度的影响，但其带宽无法调节且响应度慢。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于表面等离激元增强的高速光子集成芯片，LED发出的光通过波导传输，在波导另一端被光电探测器检测到，实现单片高速光子集成芯片，并提供了该高速光子集成芯片的制备方法。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：