实现外延材料深亚波长光子模式体积的平面漏斗微腔的制作方法

本专利涉及深亚波长光子模式体积，具体是指一种实现外延材料中深亚波长光子模式体积的平面漏斗形等离激元微腔。

背景技术：

目前信息技术飞速发展，光子器件在信息传输、处理及存储方面的应用需求越发重要。然而，由于受制备工艺水平的限制，光子器件尺寸难以超越衍射极限，随着微纳尺度加工工艺的成熟，光子器件的空间尺度也不断缩小，已经进入了微米量级、甚至纳米量级的时代。其中表面等离激元是目前实现亚波长尺度光子器件的主要研究方向之一，它可突破光学衍射极限，实现亚波长尺度下对光的传输与调控。基于表面等离激元的纳米光子器件，它利用导体中表面等离激元的激发，从而将光子器件尺寸压缩到深亚波长甚至纳米量级。基于表面等离激元新颖的光学特性，许多新型亚波长功能性光子器件被提出，这些器件在全光集成芯片、生物化学传感、太阳能光伏增效和表面增强光谱等众多领域表现出极大的应用潜力。因此，实现深亚波长光子模式体积的新型等离激元微腔具有重要的科学意义和应用价值。

表面等离激元是存在于金属-介质界面的电磁波与自由电子的集体振荡的耦合激发模式，电磁场被局限在金属表面很小范围内且增强数倍，且突破光学衍射极限，可沿金属-介质界面传播，垂直于界面向两侧呈指数衰减。此平面漏斗形等离激元微腔结构是天线层与介质外延材料层以及金属反射镜反射面构成，形成f-p共振波导模式，利用尖端效应将光场限制在漏斗结构的顶部，实现深亚波长光子模式体积对光进行限制和局域场增强。

要实现光与物质的强耦合，光子模式体积以及振子与局域光场的重合程度是两个关键要素。耦合强度反比于光子模式体积的平方根，正比于局域光场覆盖区域的振子数量，模式体积的减小和振子强度的增大是实现强耦合的直接条件。因此平面漏斗形等离激元微腔能够在上下金属界面之间的外延材料中产生具有深亚波长光子模式体积的局域光子模式，能够促进外延材料与光形成强耦合状态。能够突破光学衍射极限的深亚波长光子模式体积的平面漏斗形等离激元微腔结构可实现与纳米尺度的电子器件匹配集成，是当前光学研究的一种发展方向。

技术实现要素：

本专利的目的在于提出了一种实现深亚波长光子模式体积的平面漏斗形等离激元微腔设计，解决了传统光学器件衍射极限问题。这种等离激元微腔结构不仅实现深亚波长尺寸，而且利用尖端效应实现对光进行限制和局域场增强。

所述平面漏斗微腔的结构为：在金属反射薄膜1上依次有外延材料层2和平面漏斗形天线层3；

所述的金属反射薄膜1是一层完整的金属金反射层，金属银反射层，金属铝反射层，或金、银、铝的合金反射层；其厚度不小于电磁波在该金属中趋肤深度的两倍；周期尺寸为探测波长的四分之一到二分之一。

所述的外延材料层2是二至五层异质材料层，其厚度小于探测波长的五分之一，所述的异质材料层是gaas、gan以及sic半导体材料层，或gaas/algaas、ingaas/inalas/inp、ingaas/gaas单层或多层量子阱层，或gaas/alas超晶格、inas/gasb超晶格材料层，或gaas、inas、inp、cdse自组织生长的量子点材料层；

所述的平面漏斗形天线层(3)是高导电性材料天线层，所述的高导电性材料天线层是金、银、铝、铜或合金材料天线层，其厚度不小于电磁波在该金属中趋肤深度的两倍。平面漏斗的横向最大尺度为一个波长范围内；纵向最大尺度为一个波长范围内，本文案例中横向尺寸大约为波长的五分之一，纵向尺寸大约为波长的六分之一。通过尺寸a、b、c、l1、l2就能确定其结构。a为窄的漏斗口，b为漏斗颈部，c为宽的漏斗底部，l1为漏斗口到漏斗颈的尺寸，l2为漏斗颈部到漏斗底部的尺寸。漏斗口处的宽度与漏斗底部的宽度的比约为1:4，即a:c＝1:4；漏斗颈部的宽度比漏斗口略窄，其比例约为3:4，即b:a＝3:4；漏斗形以颈部为分界线上下比例为3:5，即l1:l2＝3:5。该结构可实现尖端效应，在漏斗的顶部有较强的局域光场。

外延材料在与其晶格匹配的衬底上生长，然后利用去衬底技术去除几百微米厚的衬底，并在外延材料层的上下两侧分别制备平面漏斗形天线和金属反射薄膜，获得平面漏斗形等离激元微腔，外延材料形成深亚波长尺度的局域光子模式。通过刻蚀形成物理反射界面，使体系逼近临界耦合状态，提升深亚波长尺度的局域光子模式耦合效率。本文案例中，通过蚀刻外延层吸收达到20％且模式体积的立方根约为探测波长的四分之一。该结构中金属天线层与外延材料层以及金属反射薄膜层形成等离激元微腔，其共振模式配合漏斗形天线的尖端效应，在漏斗尖端以下的外延材料中形成高强度、深亚波长尺度的局域光场。利用外延材料的去衬底技术能够实现其与上下金属层的集成，而且由于平面漏斗天线是二维平面结构，所以制备较为方便。

本专利的优点如下：

1该结构中平面漏斗天线层与外延材料层以及金属反射薄膜层形成等离激元微腔形，微腔共振以及平面漏斗天线的尖端效应使得尖端之下的外延材料中形成深亚波长尺度的局域强光场。

2利用外延材料的去衬底技术能够实现外延材料与该平面漏斗形等离激元微腔的完美集成，从而在外延材料能形成深亚波长尺度的局域光子模式。

3通过刻蚀形成等离激元微腔断层形成物理反射界面，调控其辐射损耗q值，使体系逼近临界耦合状态，能够大幅提升深亚波长尺度的局域光子模式的耦合效率，提高局域光场的强度。器件的性能对蚀刻工艺不敏感，容忍度较高。

附图说明

图1为平面漏斗形等离激元微腔的结构示意图。

图2为平面漏斗形等离激元微腔的俯视图。

图3为本专利实施例中量子阱在z方向的介电函数，划线表示虚部，对应于左侧坐标轴，实线表示实部，对应于右侧坐标轴。

图4为本专利实施例得到的新型等离激元微腔结构的吸收光谱图。

图5为本专利实施例得到的新型等离激元微腔结构的模式体积图。

具体实施方式

1本专利所提出的平面漏斗形等离激元微腔的设计制备方法与qwip焦平面阵列工艺完全兼容。为便于说明，下面将以工作在10.55μm处gaas/alxga1-xas量子阱的平面漏斗形等离激元微腔为例，结合附图对本专利的具体实施方式作详细说明：

2首先在gaas衬底上用分子束外延技术生长下电极层(硅重掺杂的gaas，掺杂浓度：2×10¹⁷cm^-3)、gaas/alxga1-xas量子阱材料、上电极层(硅重掺杂的gaas，掺杂浓度：2×10¹⁷cm^-3)。

3利用光刻的方法定义量子阱红外探测器件的台面，光刻胶被显影的区域将被刻蚀，而光刻胶未被显影的区域将被保护。

4用化学腐蚀或者感应耦合等离子(inductivelycoupledplama，icp)刻蚀量子阱材料样品至下电极形成公共电极，同时形成台面。

5利用光刻定义图形，并利用光刻胶作为掩膜，采用电子束蒸镀的方法沉淀auge/ni/au，通过剥离获得上电极和下电极的金属接触层。通过快速退火工艺消除auge/ni/au同半导体材料之间的肖特基势垒形成欧姆接触。

6利用电子束蒸发沉积ti(50nm)/au(150nm)金属层作为底部金属反射层。

7利用pecvd在芯片表面生长一层300nm的sinx薄膜作为钝化层，其主要作用是隔绝空气、水汽，并且屏蔽表面漏电，起到保护芯片的作用。

8通过光刻定义窗口，利用反应离子刻蚀(rie)的方法刻蚀sinx薄膜，实现钝化层开孔，以便芯片可以与宝石片上的电极实现铟柱互联。

9通过光刻、热蒸发和剥离在开孔处制备出7m左右的铟柱。

10通过倒装焊将器件与宝石片上的电路实现互联。

11通过点胶机向芯片与宝石片之间的间隙注入适量的环氧胶，将其固化后可以保护器件内部结构和缓冲器件内部热膨胀系数失配带来的影响。

12通过机械研磨和选择性腐蚀的方法去掉gaas衬底。

13通过电子束光刻制备平面漏斗形金属反射结构。

实施例

本实施例的新型等离激元微腔结构的共振波长为10.55μm，金属采用金，上下电极层材料采用硅重掺杂的砷化镓。通过电磁仿真优化得到该周期单元的结构尺寸为：px＝2.4μm，py＝2.4μm，a＝0.56μm，b＝0.42μm，c＝2.24μm，l1＝0.63μm，l2＝1.05μm，h1＝100nm。外延材料层2总厚度为505nm，包括200nm上电极层与200nm下电极层，以及105nm砷化镓和铝镓砷的复合的单量子阱结构，包括50nm的alxga1-xas势垒层和5nm的gaas势阱层，吸收峰值为10.55μm。平面漏斗形天线层(3)的材料与金属反射镜(1)的材料完全相同，厚度为h3＝0.1μm，平面漏斗的具体参数如图2中，漏斗的垂直高度为1.68μm，漏斗形金属天线以颈部为分界线上下比例为3：5，漏斗口处的宽度a＝0.56μm,漏斗颈部的宽度b＝0.42μm,漏斗底部的宽度c＝2.24μm。可在漏斗底部加金属桥方便器件集成，对模式体积计算的结果影响不大。