[发明专利]片上光源、片上光源的制备方法及光电子器件

说明书

本发明提供一种片上光源、片上光源的制备方法及光电子器件，在衬底上形成绝缘层，在绝缘层上形成光学阵列层，在光学阵列层上形成隔离层，在隔离层上形成二维材料层，在二维材料层上形成介质层，在介质层上形成双曲超材料层。其中，当光学阵列层的光子模式的谐振峰与二维材料层的激子峰的波长相等时，会导致二维材料层的发光强度增强。此外，双曲超材料层的表面等离子体激元会与二维材料层产生强耦合作用，进一步增强珀塞尔效应。本发明利用双曲超材料增强二维材料的珀塞尔效应，不仅能够实现片上光源的发光强度的显著提升，还能实现高发光效率和快响应速度并且尺寸小、结构紧凑、易于高密度集成和具备良好的CMOS集成工艺兼容性。

技术领域

本发明涉及光电子器件和半导体制造技术领域，尤其涉及一种片上光源、片上光源的制备方法及光电子器件。

背景技术

在下一代超级计算机和大数据时代的推动下，硅基光电子以其小尺寸、低功耗、超大带宽和超快响应速度，成为解决光通信系统中爆炸式增长的海量数据传输需求的领先技术。

目前，硅基光电子将以更小的规模进入到光通信链路领域中，即光芯片对光芯片或者光芯片内部。然而，具有间接带隙的硅的间接带隙会导致辐射效率低，不适合制作单片光源。事实上，光源通常需要具有直接带隙的光学增益材料。另外，目前也已经尝试在硅上异质集成III–V材料以产生光，但是此类光源仍然存在一些障碍，包括晶格失配、热膨胀以及由于制造过程中的缺陷导致的光学/电学性能降低。因此，现有技术中光集成发光器件发光效率低、响应速度慢、发光强度弱，且不易于集成成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供一种片上光源、片上光源的制备方法及光电子器件，用以解决现有技术中光集成发光器件发光效率低、响应速度慢以及发光强度弱的缺陷。

本发明提供一种片上光源，包括：

衬底、绝缘层、光学阵列层、隔离层、二维材料层、介质层以及双曲超材料层；

所述绝缘层设置于所述衬底上表面，用于隔离所述衬底和所述光学阵列层；

所述光学阵列层为一维或者二维周期性排列的光学纳米结构，设置于所述绝缘层上表面；

所述隔离层设置于所述光学阵列层上表面，用于隔离所述光学阵列层和所述二维材料层；

所述二维材料层设置于所述隔离层上表面，用于与所述光学阵列层产生强耦合作用；

所述介质层设置于所述二维材料层上表面，用于隔离所述二维材料层和所述双曲超材料层；

所述双曲超材料层设置于所述介质层上表面，用于与所述二维材料层产生强耦合作用。

根据本发明提供的一种片上光源，所述双曲超材料层包括多个金属层和多个非金属层，且所述金属层和所述非金属层交替堆叠；

所述金属层的材料为金、银、铜、铝、石墨烯以及合金材料中的任一种，所述非金属层的材料为硅、二氧化硅、氧化铝、锗、氮化硅以及聚甲基丙烯酸甲酯中的任一种；所述金属层的厚度区间为5nm～50nm，所述非金属层的厚度区间为5nm～50nm。

根据本发明提供的一种片上光源，所述光学阵列层为一维周期性排布的条状光栅结构，二维周期性排布的光子晶体结构、二维周期性排布的圆柱状光栅结构以及二维周期性排布的多面体状光栅结构中的任一种；

所述光学阵列层为由硅、氮化硅、铌酸锂中的任一种半导体材料构成，或由金、银、铜、铝以及不同金属材料的合金中的任一种材料构成。

根据本发明提供的一种片上光源，所述介质层的材料为聚甲基丙烯酸甲酯，氟化镁以及氮化硅中的任一种，所述介质层的厚度区间为50nm～100nm。

根据本发明提供的一种片上光源，所述二维材料层为由单层二维半导体材料组成的薄膜结构，或由多种不同二维材料堆叠构成的范德瓦尔斯异质结形成。