专利名称：用于增强微电子器件的性能的等离子体激元高速器件的制作方法
技术领域：
本发明的各实施例针对光子器件，且具体地针对可用来增强微电子器件性能的高 速的基于等离子体激元的器件。背景近年来，集成电路上微电子器件的密度日益增加，这在可用于互连这些器件的金 属信号线的密度方面造成了技术瓶颈。例如，信号线密度增加导致电子器件之间的各最长 通信链路同步以及相邻信号线之间串扰等困难。结果，不经由信号线将信息作为电子信号 来发送，物理学家和工程师正在研究可用来通过自由空间或经由波导发送编码在电磁辐射 (“ER”)中的同一信息的材料和器件。经由波导发送编码在ER中的信息具有优于经由信 号线发送电子信号的多个优点。第一，经由波导发送的ER的降级或损耗比经由信号线发送 的电子信号的降级和损耗少得多。第二，可以将波导制造成比信号线支持更高的带宽。例 如，单根铜线(Cu)或铝线(Al)只可发送单个电子信号，而单根光纤可被配置成发送约100 个或更多不同地编码的ER信号。材料科学和半导体制造技术的进步使得开发可与诸如CMOS电路等电子器件相集 成以形成光子集成电路(“PIC”)的光子器件成为可能。术语“光子”指的是操作传统表 征电磁辐射或具有跨电磁频谱的频率的量子化电磁辐射的器件。PIC是电子集成电路的光 子等效方案，并且可在半导体材料的晶片上实现。为高效地实现PIC，需要无源和有源光子 器件。波导和衰减器是可用来在微电子器件之间定向ER的传播的无源光子器件的示例，且 光电检测器是可用来将数据编码在ER中、检测编码了数据的ER、或控制PIC的特定微电子 器件组件的操作的有源光子器件的示例。大多数光电检测器是p-n或p-i-n结半导体光电 二极管。在具有足够能量的ER脉冲触击该光电二极管时，产生电子-空穴对。该光电二极 管的固有电场随后使电子和空穴在相反方向上掠过结耗尽区，从而产生可用于验证入射ER 脉冲的存在或控制微电子器件的操作的电流。例如，与微电子器件电连通的光电二极管可 用来通过施加电磁辐射的相应开关脉冲来打开和关闭该器件。然而，光电二极管通常具有 很高的电容量并可能需要使用放大器，这致使在各种各样的微电子器件中包括它们是不切 实际的。物理学家和工程师认识到对可用来增强某些微电子器件的性能和操作的光子器件 的需求。概述本发明的各实施例针对可用来收集入射ER并将其转换成表面等离子体激元的、 可用来增强微电子器件的性能和操作的光子器件。在本发明的一个实施例中，光子器件包 括具有顶面和底面的介电层、以及覆盖该介电层的顶面的至少一部分的平面纳米线网络。 该介电层的底面位于衬底的顶面上，并且该平面纳米线网络被配置成将入射电磁辐射转换 成表面等离子体激元，该表面等离子体激元透过介电层并透入衬底的至少一部分。附图简述图IA示出根据本发明的实施例的、衬底所支承的第一光子器件的立体图。图IB示出根据本发明的实施例的、图IA所示的第一光子器件和衬底的分解立体图。图2示出根据本发明的实施例的、介电层所支承的六边形平面纳米线网络的俯视图。图3A示出根据本发明的实施例的正方形平面纳米线网络。图3B示出根据本发明的实施例的五边形平面纳米线网络。图4示出根据本发明的实施例的、第一光子器件沿
图1中所示的线4-4的截面图。图5示出根据本发明的实施例的、带有透镜的第一光子器件的截面图。图6A示出根据本发明的实施例的、入射在图1所示的第一光子器件的平面纳米线网络上的电磁辐射。图6B示出根据本发明的实施例的、第一光子器件的纳米线沿图6A中所示的线 6B-6B的截面图。图7A示出根据本发明的实施例的、衬底所支承的第二光子器件的立体图。图7B示出根据本发明的实施例的、第二光子器件沿图7A中所示的线7B-7B的截 面图。图8示出根据本发明的实施例的、入射在图7A所示的第二光子器件上的电磁波的 电场分量。图9A示出根据本发明的实施例的、衬底所支承的第三光子器件的立体图。图9B示出根据本发明的实施例的、第三光子器件沿图9A中所示的线9B-9B的截 面图。详细描述本发明的各实施例针对可用来收集入射ER并将其转换成表面等离子体激元的、 可用来增强微电子器件的性能和操作的光子器件。这些光子器件的尺寸可在一维、二维、以 及三维上减小而仍然保留相对大的ER捕捉横截面。图IA示出根据本发明的实施例的、衬 底102所支承的第一光子器件100的立体图。光子器件100包括介电层104、覆盖介电层 104的顶面的至少一部分的平面纳米线网络106，并且还可包括覆盖平面纳米线网络106的 与衬底102不接触的各个表面并且覆盖介电层104的未被平面纳米线网络106覆盖的部分 的可任选抗反射涂层108该可任选抗反射涂层108可通过降低特定波长的入射ER的反射 提高光电检测器的效率。具体地，为减少波长为λ的入射ER的反射，该抗反射涂层可被制 造成约λ/4厚。图IB示出根据本发明的实施例的、图IA所示的光子器件100和衬底102的分解 立体图。将介电层104与衬底102和抗反射涂层108分开示出。图IB还揭示平面纳米线 网络106在抗反射涂层108内的印痕，并示出抗反射涂层108填充平面纳米线网络106的 纳米线之间的区域。图2示出根据本发明的实施例的、介电层104所支承的平面纳米线网络106的俯 视图。平面纳米线网络106包括从平面纳米线网络106的中心向外辐射的六条有大致均勻 间隔的径向纳米线201-206。每一对径向纳米线由四条大致平行的横向纳米线互连，并且这 些横向纳米线被配置成形成四个同心纳米线六边形，其中每一径向纳米线与纳米线六边形 201-206中的每一个的一个顶点相交。例如，横向纳米线207互连径向纳米线201和202， 横向纳米线207-212形成四个同心纳米线六边形中的一个，并且径向纳米线201与这四个同心纳米线六边形中的每一个的一个顶点相交。在本发明的其他实施例中，径向纳米线的数量和相邻径向纳米线之间的角度可以变化以配置各种规则形状的平面纳米线网络。例如，根据本发明的实施例，图3A示出由四 条有大致均勻间隔的径向纳米线形成的正方形平面纳米线网络302，而图3B示出由五条有 大致均勻间隔的径向纳米线形成的五边形平面纳米线网络304。同样，在本发明的其他实施 例中，相邻纳米线之间的角度可以变化以形成不规则形状的平面纳米线网络，并且互连任 一对相邻径向纳米线的横向纳米线的数量可以变化。图4示出根据本发明的实施例的、光子器件100和衬底102沿图1中所示的线4_4 的截面图。如图4所示，可任选抗反射涂层108填充平面纳米线网络106的纳米线段之间 的空间。在本发明的其他实施例中，可在光子器件100的顶部之上放置透镜以将通过更大 区域入射的电磁辐射聚焦到光子器件100上。图5示出根据本发明的实施例的、带有沉积 其上的透镜502的光子器件100的截面图。在本发明的某些实施例中，透镜502可以是全 息透镜。虽然用具有矩形横截面的各个纳米线段示出了平面纳米线网络，如图4和图5所 示，但平面纳米线网络的纳米线也可以具有正方形、圆形、椭圆形、或更复杂的横截面。平面 纳米线网络的纳米线段还可具有许多不同的宽度或直径以及长宽比或离心率。术语“纳米 线”指的是具有亚微尺度线、微尺度线、较大尺寸线或平面纳米线网络线，或指的是具有混 合横截面尺寸的平面纳米线网络线。例如，横向纳米线可具有毫微尺度尺寸，而径向纳米线 具有微尺度尺寸。平面纳米线网络可由金属和半导体物质、或这些类型的物质的组合、以及其 他类型的物质构成。例如，平面纳米线网络可以由包括金、银、铜、铝、钛、钼、及它们的 合金在内的金属形成。本发明的平面纳米线网络可以通过机械纳米印刻技术和光刻 技术来制造。或者，平面纳米线网络可以通过化学合成并可用包括朗缪尔-布拉吉特 (Langmuir-Blodgett)工艺的一个或多个工艺步骤来沉积。也可采用用于制造纳米线的其 他替换技术。因此，图1所示的平面纳米线网络可以通过多种公知工艺的任一种来制造。衬底102可以表示半导体或化合物半导体器件或表示CMOS器件的金属部件，并且 光子器件100可用来通过光子控制或增强这些器件的操作。例如，衬底102可以表示光电 二极管的p-n或p-i-n结，并且光子器件100可用来增强该该光电二极管的操作。衬底102 可以是场效应晶体管的金属栅或电容器的底板，并且该光电器件可用来控制该场效应晶体 管或该电容器的操作。如下所述，入射在光子器件100上的电磁辐射脉冲可用来增强衬底102所表示的 器件的操作。光子器件100可被配置成使入射在平面纳米线网络106上的并且波长在合适 波长范围内的电磁辐射被平面纳米线网络106的纳米线段转换成表面等离子体激元。等离 子体激元是与金属中的电子等离子体激元振荡的量子化状态相对应的ER模。表面等离子 体激元是金属表面上存在的电子激发模并且具有径向和横向分量。表面等离子体激元表征 高密度电场并减缓群速度，从而导致邻近电子_空穴对的产生率显著增加。表面等离子体 激元使得将衬底102所表示的光电子器件的尺寸减小到亚波长尺寸，并且仍然保留入射ER 的大有效横截面成为可能。减小物理尺寸的一个直接优点是更低的本征电容，这允许衬底 102所表示的器件更快地操作。在衬底102是光电子器件的有源区，诸如光电检测器或光电换能器的吸收层的情况下，衬底102的厚度可以减小至数十纳米并仍然保留波长厚度吸收 层的吸收特性。薄衬底102允许光生成的载流子(即，电子和空穴)更快地到达其相应电 极，这又增加该器件的内部量子效率和速度。如果表面等离子体激元未在衬底102的底层 器件中吸收，则在沿平面纳米线网络的纳米线段传播之后，该表面等离子体激元可能作为 热量而耗散在金属中，或在到达平面纳米线网络的边缘时重新辐射到自由空间。图6A示出根据本发明的实施例的、入射在光子器件100的平面纳米线网络106上的电磁辐射。该电磁辐射与纳米线相互作用，从而沿平面纳米线网络106与介电层104的 接触面形成表面等离子体激元。该表面等离子体激元具有横向和径向电磁场分量。磁场分 量与接触面平行并且与传播方向垂直，而电场分量与该表面等离子体激元的传播方向平行 而与接触面垂直。图6B示出根据本发明的实施例的、纳米线602沿图6A中所示的线6B-6B 的截面图。曲线604表示电场分量透入纳米线603的程度，而曲线606表示电场分量透过 介电层104并透入衬底102的程度。曲线604和606示出电场分量离开表面608如何指数 地衰减。沿横向纳米线的接触面形成的表面等离子体激元的一部分传播到径向纳米线，并 随后沿这些径向纳米线向平面纳米线网络106的中心传播，如方向箭头601-606所示。由 于正干涉效应，表面等离子体激元密度在朝平面纳米线网络106的中心的方向上可显著增 力口。换言之，在纳米线网络的各段内产生的该等离子体激元的一部分同相地加到该网络的 中心，以产生具有相关联的等离子体激元振荡的局部强电场。透入衬底102的电场增强在 光子器件100之下的衬底102内产生电子-空穴对的量和速度，其中最大产生速度出现在 光子器件100的中心之下。出现在小体积空间内的该增加的产生水平和速度增强衬底102 所表示的小容量光电二极管、场效应晶体管的栅、或电容器的操作。在本发明的其他实施例中，光子器件100的平面纳米线网络、介电层、以及可任选 抗反射涂层可由带有位于中心附近的一对小金属电极的二阶介电光栅来替换。图7A示出 根据本发明的实施例的、衬底102所支承的第二光子器件700的立体图。光电器件700包 括光子光栅702、第一和第二电极704和706、以及夹在电极704和706之间的ER吸收材料 708。光子光栅702包括跨光子光栅板的厚度的、有大致规则间隔的正方形孔的点阵。例如， 孔710横跨该光子光栅板的厚度。图7B示出根据本发明的实施例的、光子器件700沿图7A 中所示的线7B-7B的截面图。如图7B所示，光子光栅702由衬底102的顶面支承，并且电 极704和706被配置成横跨光子光栅702的厚度。本发明的各实施例不限于如图7所示的 排列成正方形点阵配置的正方形孔。这些孔可以是矩形、圆形、椭圆形、或任何其他形状，并 且可被安排成适于俘获入射电磁辐射并将其集中在光子光栅702内的任何二维点阵配置。ER吸收材料708可包括半导体、化合物半导体、或诸如用SiO2注入的半导体或化 合物半导体等多孔纳米材料。电极704和706可包括金、银、铜、铝、钛、钼、以及它们的合 金、半导体、化合物半导体、或有机导电材料。电极展示期望波长范围的局部等离子体激元 共振，电极与吸收材料708之间的间隙中具有强电场分量。光子光栅702可包括单个电介 质、半导体、或化合物半导体。选择用于光子光栅的材料类型可取决于所需的光子光栅的尺 寸和配置，取决于与入射电磁辐射束相关联的诸如传播方向f和偏振等模式参数，或取决于 入射电磁辐射的频率或波长范围。例如，光子光栅可包括Si02、Al203、Si3N4、电介质聚合物、 半导体、化合物半导体、或任何其他合适材料。化合物半导体可以是二元、三元、或四元的II-VI族或III-V族半导体化合物。例如，光子光栅702可包括ZnTe或CdSe (均为II-VI 族的半导体化合物)、或者GaAs或InP (均为III-V族的半导体化合物)。光子光栅可包括 两层或更多层，其中每一层可包括不同的电介质、半导体、或半导体化合物材料。例如，光子 光栅702可包括夹在两个AlGaAs层之间的单层GaAs。 该光子光栅板可以使用分子束外延或化学汽相淀积来形成。孔点阵可以使用多种 公知光刻和蚀刻技术中的一种来形成。例如，可以使用反应-离子蚀刻、聚焦离子束研磨、 化学辅助离子束蚀刻、电子束光刻、光刻、以及纳米压印光刻在板中形成孔点阵，这些技术 在本领域中都是公知的并可基于所需孔的尺寸和形状并基于板材料来选择。这些孔可以是 气孔或者用具有与光子光栅的介电常数所不同的介电常数的电介质、半导体、或半导体化 合物材料来回填。可以使用物理或化学汽相淀积技术来用材料填充这些孔。—般而言，光子光栅的操作机制取决于受引导的共振现象。这些受引导共振被强 烈地限制在光子光栅板的范围内，并且较低反射率孔所产生的周期性反射率对比提供了相 位匹配机制，该机制允许入射光耦合到受限模，并允许将受引导模散射到自由空间，从而给 予共振有限的寿命。共振频率和受引导共振的寿命由光子光栅的结构来确定，这提供用于 工程设计特定光学属性的极大灵活性。以下是关于光子光栅的操作的一般描述，并且入射 在光子光栅上的电磁辐射按单个入射电磁波的电场分量来表示。图8示出根据本发明的实施例的、入射在光子器件700的光子光栅702上的电磁 波的电场分量。在图8中，轴804-806分别表示笛卡尔坐标轴;^、j>和￡。电磁波具有相关联的
波矢量<formula>formula see original document page 7</formula><formula>formula see original document page 7</formula>其中k是入射电磁波802的波数，并且参数θ和φ是电磁波的入射角。入射电 磁波通常传输通过光子光栅702。然而，对于特定偏振和波长λ的每一入射电磁波，都存在 相关联的入射角对θ和Φ，对于该入射角对电磁波不能传输通过光子光栅702。相反，这 些电磁波与光子光栅点阵结构相耦合，并且在光子光栅的xy平面内具有频率共振模式。当 入射电磁波的方向与光子光栅702的平面正交(S卩，极角Φ是“0”)时，方位角θ的改变 不影响入射电磁波与光子光栅的耦合。另一方面，当入射电磁波的方向不与光子光栅702 的平面正交时，存在使得光子光栅702对入射电磁波802透明的大量入射角θ和φ。例 如，考虑具有特定偏振和波长λ ^的、入射在光子光栅702上的电磁波802。假定入射电磁 波802具有入射角θ ^和Φ μ入射电磁波802在光子光栅702的xy平面内具有共振频率 fQ。具有与9O和Φο不同的入射角的电磁波传输通过光子光栅702。光子光栅702用作电 磁波的布拉格反射镜，并且光子光栅702对具有波矢量角θ ^和(K的电磁波不透明。具有 波矢量角θ ^和(K的电磁波被吸收并在光子光栅702内流传。该共振现象是入射电磁波 802与可由光子光栅702支持的电磁辐射模之间的耦合的结果。共振频率或共振f(1是电磁波以最大幅度Amax或振动能量Emax( ^ Afflax2)振动的频 率。共振频率fo通过介电常数ε、点阵常数、孔宽度、以及厚度或光子光栅702来确定。质 量(“Q”)因子是定量评估光子光栅的共振的锐度的一种方式。Q因子是ER在被吸收或被 辐射掉之前保持陷于共振中有多久的度量。Q因子将系统振动频率与系统损失能量的速度 相比较。相对大的Q因子指示相对于系统的共振频率的低能量耗散速率。一般而言，Q因子可如下表示
<formula>formula see original document page 8</formula>其中Δ f是物理系统的振动能量是在&处的最大振动能量Emax的至少一半的频率 的范围。返回到光子光栅702的操作，入射电磁辐射可以用适当的入射角和波长来选择， 以形成与光子光栅702的共振。该电磁辐射被俘获并集中在光子光栅702内，其中它具有 相对长的时间段来由ER吸收材料708吸收，其中所俘获的ER可高效地激发两个金属电极 704和706与吸收材料708之间的间隙等离子体激元。与间隙等离子体激元相关联的电场 分量在电极704和706与吸收材料708之间的区域内非常强，从而使得形成电子_空穴对， 如上参考图6所述。电子和空穴在电极704和706之间只行进很短距离( 10-50纳米)。 因此，量子效率和器件的速度应当很高。图9A示出根据本发明的实施例的、衬底102所支承的第三光子器件900的立体 图。光子器件900包括四个同心环901-904和包含夹在两个电极704和706之间的ER吸 收材料708的中心区域905。图9B示出根据本发明的实施例的、光子器件900沿图9A中所 示的线9B-9B的截面图。图9B揭示同心环901-904之间的间隙，如同心环901和902之间 的间隙906。本发明的实施例不限于具有同心环901-904的光子器件900。在本发明的其 他实施例中，取决于所需光子器件的种类和形状，可以使用同心椭圆。光子器件900可包括单个电介质、半导体、或半导体化合物材料。选择用于光子光 栅的材料类型取决于所需光子器件的尺寸和配置，取决于与入射电磁辐射束相关联的诸如 传播方向^和偏振等模式参数，或取决于入射电磁辐射的频率或波长范围。可以首先使用分 子束外延或化学汽相淀积以沉积材料板来形成该光子器件。同心环901-904之间的间隙和 中心区域905可以使用多种公知光刻和蚀刻技术中的一种来形成。例如，可以使用反应-离 子蚀刻、聚焦离子束研磨、化学辅助离子束蚀刻、电子束光刻、光刻、以及纳米压印光刻来形 成间隙，这些技术在本领域中都是公知的并可基于所需孔的尺寸和形状并基于板材料来选 择。这些间隙可以是气隙或者用具有与同心环901-904的介电常数所不同的介电常数的电 介质、半导体、或化合物半导体材料来回填。可以使用物理或化学汽相淀积技术来用材料填 充这些间隙。可以用适当的入射角和波长来选择入射电磁辐射以形成与光子器件900的共振。 与光子光栅702 —样，该电磁辐射被俘获并被集中在光子器件900内。ER吸收材料702帮 助在电极704和706上形成表面等离子体激元。在电极704和706与衬底102之间的接触 面处形成的表面等离子体激元增强电子_空穴对在衬底102内的形成，如以上参考图6所 描述的。出于解释的目的，上述描述使用具体术语来提供对本发明的全面理解。然而，本领 域技术人员显而易见的是，实施本发明不需要这些具体细节。本发明的各具体实施例的上 述描述是出于说明和描述的目的来呈现的。它们不旨在是穷尽性的或将本发明限于所公开 的确切形式。显然，根据上述示教，许多修改和变化是可能的。示出并描述各实施例是为了 最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域技术人员能够最好地利用本发明和 各实施例，并且构想了适合特定用途的各种修改。本发明的范围旨在由所附权利要求及其等效方案来限定 。
权利要求
一种光子器件(100)，包括具有顶面和底面的介电层(104)，所述介电层的底面位于衬底(102)的顶面上；以及覆盖所述介电层的顶面的至少一部分并被配置成将入射电磁辐射转换成表面等离子体激元的平面纳米线网络(106)，所述表面等离子体激元透过所述介电层并透入所述衬底的至少一部分。
2.如权利要求1所述的光子器件，其特征在于，还包括覆盖所述平面纳米线网络(106) 的顶面和侧面以及所述介电层(104)的至少一部分的抗反射涂层(108)。
3.如权利要求1所述的光子器件，其特征在于，所述平面纳 米线网络(106)还包括 多条径向纳米线(201-206)，每一纳米线径向线从所述平面纳米线网络的中心区域向外延伸；以及多条横向纳米线(207-212)，每一纳米线横向线连接两条相邻的纳米线径向线。
4.如权利要求3所述的光子器件，其特征在于，所述纳米线径向线和纳米线横向线被 安排成形成大致多边形配置或用于将入射电磁辐射转换成表面等离子体激元的任何其他 合适配置。
5.如权利要求1所述的光子器件，其特征在于，所述衬底(102)还包括以下各项之一 电容器的底板；场效应晶体管的栅； 光电二极管； 光电换能器；以及具有由表面等离子体激元修正的电导的任何合适材料。
6.一种光子器件(700)，包括位于衬底的顶面并具有多个开口的光子光栅(702)，所述开口被配置成将跨特定波长 范围的入射电磁辐射集中在所述光子光栅内；嵌入在所述光子光栅中的至少两个电极(704、706)；以及电磁辐射吸收材料(708)，所述电磁辐射吸收材料位于所述至少两个电极之间以使集 中在所述光子光栅内的电磁辐射在所述至少两个电极上被转换成表面等离子体激元，所述 表面等离子体激元能够透入所述衬底的至少一部分。
7.如权利要求6所述的光子器件，其特征在于，所述光子光栅(702)还包括介电材料板。
8.如权利要求6所述的光子器件，其特征在于，所述多个开口(710)还包括贯穿所述光 子光栅的多个有基本规则间隔的孔。
9.如权利要求6所述的光子器件，其特征在于，所述多个开口(710)还包括介电材料的 同心环之间的多个有基本均勻间隔的开口。
10.如权利要求6所述的光子器件，其特征在于，所述电磁辐射吸收材料(708)还包括半导体； 化合物半导体； 多孔纳米材料；以及 有机材料。
全文摘要
本发明的各实施例针对可用来收集入射ER并将其转换成表面等离子体激元的、可用来增强微电子器件的操作的光子器件。在本发明的一个实施例中，光子器件(100)包括具有顶面和底面的介电层(104)、以及覆盖该介电层的顶面的至少一部分的平面纳米线网络(106)。该介电层的底面位于衬底(102)的顶面上，并且该平面纳米线网络被配置成将入射电磁辐射转换成表面等离子体激元，该表面等离子体激元透过介电层并透入衬底的至少一部分。
文档编号G02B6/10GK101821652SQ200880112331
公开日2010年9月1日 申请日期2008年10月15日 优先权日2007年10月15日
发明者D·法塔勒, S·R·威廉姆斯 申请人:惠普发展公司，有限责任合伙企业