表面等离子体晶体在半导体发光器件中的应用

论文摘要

本论文对表面等离子体这一物理现象的性质进行了论述,这种现象被认为是光与导体表面的电子相互作用产生的。本文介绍了研究这种现象的主要方法,特别是对金属膜上亚波长周期性结构的透射增强现象进行了深入的探讨,同时,也为将该结构应用于半导体发光器件做了大量的研究工作,论文的主要工作和研究成果如下:首先,本文分析了980nm波长的光在透过制作在金膜上亚波长周期性孔阵的透射情况,该孔阵为中心带缺陷孔的三角晶格孔阵,孔阵中的孔均为圆柱形空气孔。通过三维时域有限差分方法进行分析表明,调整孔阵周期和两种空气孔的孔径,可以对特定波长的入射光实现透射增强,这种增强现象可以用表面等离子体效应解释。当孔阵周期为450nm,中心缺陷孔径为400nm,孔阵中单个孔孔径为150nm时,980nm波长光透过该孔阵时具有明显的透射增强效应,并且远场(距表面3微米)光斑尺寸被局限在亚波长尺度(880nm)。本论文还阐述了在垂直腔面发射激光器(VCSEL)的基础上制作表面等离子体晶体调制增强的激光器的方法,从理论设计、工艺制作等方面对集成有亚波长周期性孔阵的底发射VCSEL器件制作进行了研究,并分析了在制备过程中的一些关键工艺。通过使用聚焦离子束设备,我们在溅射于二氧化硅介质层的金膜上成功研制了与设计尺寸一致的孔阵,这种孔阵可以集成在980nm垂直腔面发射激光器上,用于改善器件的远场光学特性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 表面等离子体光学概要
• §1.1.1 表面等离子体激元（Surface Plasmon Polarization,SPP）
• §1.1.2 局域化的表面等离子体
• §1.1.3 表面等离子体的激发
• §1.1.4 扫描近场光学显微镜（SNOM）
• §1.2 表面等离子体晶体
• §1.2.1 表面等离子体晶体中SPP的激发
• §1.2.2 金属薄膜上亚波长周期性孔阵的透射增强效应
• §1.3 表面等离子体晶体在半导体光电器件中的应用前景
• 第二章 亚波长孔阵的结构设计
• §2.1 FDTD算法概要与Drude模型
• §2.1.1 FDTD算法概要
• §2.1.2 Drude模型
• §2.1.3 Fullwave中色散材料参数设置:
• §2.2 亚波长周期性孔阵的结构设计及集成到光电器件的可能
• §2.2.1 亚波长孔阵的结构设计
• §2.2.2 制作周期性孔阵的金属膜材料选择
• 第三章 表面等离子体晶体透射增强效应的研究
• §3.1 亚波长周期性孔阵的数字模型与透射情况的模拟
• §3.1.1 亚波长周期性孔阵结构的优化
• §3.1.2 亚波长周期性孔阵的透射增强效应
• §3.2 金属光栅上的表面等离子体增强作用
• 第四章 表面等离子体晶体增强的垂直腔面发射激光器的研制
• §4.1 980nmVCSEL简介
• §4.2 亚波长周期性孔阵增强底部发射980nm VCSEL制作工艺
• §4.3 器件制作关键工艺的研究
• §4.3.1 湿法腐蚀工艺
• §4.3.2 湿氮氧化工艺
• 第五章 聚焦离子束刻蚀在表面等离子体晶体制作中的应用
• §5.1 聚焦离子束系统介绍与刻蚀原理
• §5.2 刻蚀工艺参数的研究情况
• §5.2.1 制作孔阵的理想参数
• §5.2.2 刻蚀深度的确定
• §5.2.3 刻蚀离子束束流的选择
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢