[发明专利]阶梯结构的硅基表面等离子体波导的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种纳米半导体技术领域的方法，具体是一种阶梯结构的硅基表面等离子体波导的制备方法。

背景技术

近年来，基于表面等离子体技术的纳米光学得到了越来越多的关注，表面等离子体打破传统介质波导衍射极限，能将通信波段的光局限在深亚波长级的波导中，可以像金属线传导电子一样在纳米尺度上传输光，推动了器件尺寸的进一步减小以及集成密度的进一步增加。同时，随着芯片逐渐将计算、存储、通信和信息处理等多种功能汇集在一起，推动了片上光计算技术的实现。为了实现光计算中的逻辑以及信号处理功能，需要用到光器件的非线性效应。相比电信号处理，光器件的非线性信号处理具有超快的响应速度，处理带宽超过THz。但是为了产生非线性效应需要较大的功率和较长的距离，其尺寸和功耗限制了其在集成光路中的应用。由于表面等离子激元对光的深亚波长的局域能力，其模场面积大大减小，从而使得增强非线性系数，减小阈值功率和器件长度成为可能。

表面等离子体主要分为两种：一种为长程表面等离子体，另一种为短程表面等离子体。长程表面等离子体会在介质中形成较长的拖尾，因此可以减小损耗，但对模场的局限性很差，模场直径和单模光纤类似，一般有10微米左右。所以利用长程表面等离子体波导得不到高非线性。短程表面等离子体能实现对光深亚波长级的局限，模场面积较介质波导大大减小。虽然这种结构的表面等离子体损耗较大，但由于模场面积大大减小，若能设计损耗较小的波导结构使得有效传输距离为上百微米，结合高非线性聚合物材料，则有可能成为非线性效应的介质。

经过对现有技术的检索发现，自然-光学(Nature photonics)杂志中的论文“Plasmonicsbeyond the diffraction limit(突破衍射极限的表面等离子体)”，系统地介绍了各种表面等离子体波导，包括楔形波导(wedge waveguide)、金属沟槽波导(groove waveguide)、槽缝波导(slotwaveguide)、金属柱形纳米线形波导以及混合表面等离子体波导。在上述技术中具有最佳传输长度和模场面积折中的结构是混合表面等离子体该结构为一靠近金属平面的高折射率介质波导，中间填充低折射率介质(Conductor-gap-dielectric waveguide(CGD waveguide))。当高折射率波导和金属间距足够小时，模场能够局限于金属表面比衍射极限小100倍的区域内，同时还能保持较小的损耗。但是在该结构中，当有效模场面积减小到几百平方纳米的时候，损耗会急剧增大，这就限制了其非线性应用。

基于绝缘体上硅结构(SOI)的技术使得与CMOS工艺相兼容的集成光电系统成为可能，但是由于硅的三阶非线性系数大小适中，且三阶非线性效应的效率和速率都受限于双光子吸收以及低速的自由载流子吸收效应。因此构成表面等离子体波导的介质不适合直接用硅，需要结合硅和具有快速高非线性特性的聚合物，将光局限在具有超快高非线性特性的聚合物中，同时容易与其他硅基器件集成。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种阶梯结构的硅基表面等离子体波导的制备方法，具有纳米级的模场大小，较小的传输损耗，结合高非线性聚合物材料，实现超高的非线性。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

第一步、在SOI晶片上涂上电子束光刻胶，然后通过电子束曝光(E-beam lithograph)系统和反应离子刻蚀(RIE)系统在硅层上形成波导图形；

第二步、在SOI脊形波导上沉积高非线性聚合物-区域规则性聚3己基噻吩(RR-P3HT)；

所述的沉积是指：利用电子束曝光后剩余电子束光刻胶作为掩膜板，通过分子束淀积法沉积RR-P3HT；

所述的沉积的厚度与SOI脊形波导的高度相差银的阶梯高度。

第三步、去除电子束光刻胶以及其上的RR-P3HT，通过分子束淀积法第二次沉积RR-P3HT

所述的第二次沉积的厚度为5nm。

第四步、利用射频溅射的方法，将金属银镀在聚合物薄膜上，最后制备得到阶梯结构的硅基表面等离子体波导。

本发明涉及上述方法制备得到的阶梯结构的硅基表面等离子体波导，该阶梯结构的硅基表面等离子体波导脊形硅波导、金属银Ag阶梯结构层以及聚合物间隙层构成，金属层通过聚合物层与脊形硅波导在垂直方向上相连，金属层宽度大于硅基宽度，金属阶梯与硅脊对齐。