硅基一维金属硅化物SP波导耦合结构的红外模式调控及光热特性研究

Surface plasmon (SP) has the merit of electromagnetic field localized in sub-wavelength scale. Optical devices using SP as information carrier is believed promising to surpass the diffraction limit in traditional optical devices. Compared to noble metal, metal silicide is more compatible to CMOS technology and its SP resonant frequency is in short wavelength of infrared spectrum, which is transparent for silicon. All the advantage will benefit silicon based optical integration. Thus, the designing and investigations of SP materials and devices based on metal silicide is of practical significance. Moreover, from the standpoint of integration, the energy dissipation and induced heat problem are the important factors which will influence the SP device properties. So the photothermal characterization is very important for silicon based semiconductor materials and devices. In this project, the SP resonance mode and photothermal properties of one-dimensional metal silicide micro-structures will be investigated and the relaxation mechanisms of the hot carriers will also be explored. Meanwhile, silicon based one dimensional metal silicide SP coupled waveguide structures will be constructed, and effect of the local heat accumulation on the SP waveguiding characteristics will be investigated. The heat excitation、coupling and conducting mechanism in the coupled structures will also be studied. The investigation results will provide guidelines to solving the energy consumption heat problem of the silicon based SP integration.

表面等离子体（SP）具有亚波长局域特性，以SP为信息载体的光电器件有望突破传统光子器件的衍射极限，实现高密度的单片集成。与贵金属相比，载流子可控的硅基半导体材料具有CMOS技术兼容的优势，其SP共振频率可在硅透明的红外波段调谐，因此，基于此类材料的SP器件设计具有重要的现实意义。然而，这类材料的SP吸收损耗通常较为严重，从SP集成角度来看，光吸收所引起的热累积将导致的局部加热，影响集成耦合器件的性能，因此，基于这类材料的SP耦合器件的能量损耗和热问题是非常值得研究的课题。本项目将基于金属硅化物材料，通过控制材料组份、一维微纳结构参数调节载流子浓度及SP模式，研究其在短波红外波段的SP波导模式特征、光热特性及载流子的热弛豫机制；同时，项目将构建硅基一维SP波导耦合结构，研究局部热累积对SP波导耦合传输性能的影响，探索耦合结构的热激发、耦合和传导机理，为解决硅基SP集成的能耗和热问题提供依据。

传统贵金属微纳结构的表面等离子体（SP）共振频率大都处于可见光波段，很难调谐拓展至红外波段。通过掺杂提高载流子的密度是调控半导体材料在近红外波段SP性能的主要途径。然而,由于材料的介电常数虚部通常随着载流子密度的增加而增大，因此，基于此类材料的SP器件尽管可达到预期的性能，但能量的吸收损耗通常是十分严重的。载流子吸收促使大量的光能转化为热能，导致器件局部加热，影响甚至损坏SP器件的响应，对SP器件的集成造成挑战。因此，对载流子可调控的SP材料和器件来讲，光热效应的表征和评价也是极其重要的。金属硅化物是硅CMOS工艺中的重要材料，与重掺杂硅相比，金属硅化物的载流子浓度更大，便于通过调谐手段将SP共振频率调整至红外通信波段，因此，金属硅化物作为硅基SP器件的可供选择材料具有一定研究价值。本项目从实验和理论仿真两方面入手，系统研究了硅基金属硅化物微纳结构的SP共振特性和光热效应:（1）项目利用激光刻蚀的方法制备了金属硅化物 (CoSi) 微纳粒子，研究了制备条件对微纳粒子形貌、组分的影响；测试并仿真了CoSi微纳结构表面等离子共振特性、光热响应等，通过与贵金属的响应对比，分析了CoSi微纳结构的应用前景。（2）项目设计了基于光纤光栅的局域温度测试系统，并用该系统分析了金属SPR传感器中金属微纳结构的SP共振吸收所引起的温升，探讨了对传感器响应的影响。该系统在材料局部光热效应的实时测试中具有一定的应用价值。（3）项目利用电子束蒸发、磁控溅射等手段制备金属硅化物CoSi薄膜，测量了结构、组分、载流子电学和光学性质，初步分析了载流子的光学响应和热效应之间的关系，结果可为基于CoSi材料的SP器件的设计提供参考。（4）设计了基于CoSi材料的一维纳米棒波导耦合结构和一维矩形状波导结构，研究了波导的传输特性、耦合效率以及光热特性，初步分析了光热效应造成的热积累以及对SP波导特性的影响。