專利名稱：用于表面增強(qiáng)拉曼光譜術(shù)的光放大裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及用于表面增強(qiáng)拉曼光譜術(shù)的光放大裝置。
背景技術(shù)：
拉曼光譜術(shù)用于研究當(dāng)光子與分子相互作用從而導(dǎo)致散射的光子的能量轉(zhuǎn)移時(shí)分子能態(tài)之間的躍遷。分子的拉曼散射可看作兩個(gè)過程。位于特定能態(tài)的分子首先被入射光子激發(fā)到另一個(gè)(虛或?qū)?能態(tài)，其通常處于光頻域內(nèi)。然后被激發(fā)的分子作為受環(huán)境影響的偶極子輻射源輻射，與激發(fā)光子相比，偶極子輻射源以可能相對(duì)較低的頻率(例如斯托克斯散射)或相對(duì)較高的頻率(即反斯托克斯散射)位于該環(huán)境中。不同分子或物質(zhì)的拉曼光譜具有可用于識(shí)別物種的特征峰。同樣，拉曼光譜術(shù)是一種用于各種化學(xué)或生物檢測(cè)應(yīng)用的有用的技術(shù)。然而，固有的拉曼散射過程效率非常低，而粗糙的金屬表面、各種類型的納米天線以及波導(dǎo)結(jié)構(gòu)已經(jīng)用于增強(qiáng)拉曼散射過程(即上述的激發(fā)和/或輻射過程)。 該領(lǐng)域通常以表面增強(qiáng)拉曼光譜術(shù)(SERS)為人所知。


參照下面的詳細(xì)描述和附圖，本發(fā)明實(shí)施例的特征和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯，其中相同的附圖標(biāo)記對(duì)應(yīng)于相似的部件(盡管可能不完全相同)。為了簡(jiǎn)短起見，具有先前描述的功能的附圖標(biāo)記或特征可能也可能不結(jié)合有它們出現(xiàn)的其它附圖被描述。圖1是本發(fā)明的光放大裝置的實(shí)施例的半示意透視圖；圖2是本發(fā)明的光放大裝置的另一實(shí)施例的半示意透視圖；圖3是本發(fā)明的光放大裝置的又一實(shí)施例的半示意透視圖；圖4是包括這里所公開的光放大裝置的系統(tǒng)的實(shí)施例的示意圖；圖5A和5C是光放大裝置的實(shí)施例在用于形成懸浮裝置的濕蝕刻工藝之前和之后的俯視圖；圖5B是在濕蝕刻之前光放大裝置的實(shí)施例的沿圖5A的線5B-5B截取的截面圖； 以及圖5D是在濕蝕刻之后光放大裝置的實(shí)施例(即懸浮光放大裝置)的沿圖5C的線 5D-5D截取的截面圖。
具體實(shí)施例方式這里所公開的裝置的實(shí)施例有利地包括為表面增強(qiáng)拉曼光譜產(chǎn)生較大局部電場(chǎng)的增益區(qū)。更具體地，介電層(柵孔或開口形成于其中)使入射到裝置上的光散射，并在其中傳播散射光，該增益區(qū)將所述光放大，從而增強(qiáng)激發(fā)、局部電場(chǎng)以及得到的拉曼信號(hào)?，F(xiàn)在參照?qǐng)D1，描述一實(shí)施例的光放大裝置10。裝置10包括之前提及的介電層12 和增益區(qū)14。在本實(shí)施例中，介電層12(或引導(dǎo)層)具有兩個(gè)相對(duì)的表面S” S2，其中的一 AS1具有至少一個(gè)形成于其中的開口 16和具有至少一個(gè)設(shè)置在其上的納米天線18，其中的另一個(gè)&與基板20接觸。如圖1中所示，介電層12和增益區(qū)14均設(shè)置在基板20上。應(yīng)當(dāng)理解的是，基板 20選擇為折射率小于介電層12的折射率。此外，應(yīng)當(dāng)理解的是，基板20選擇為使得其不吸收裝置10的激發(fā)或輻射頻率。適合的基板材料的非限制性示例包括絕緣體(例如玻璃、石英、陶瓷、氧化鋁、硅石、氮化硅等)、聚合材料(例如聚碳酸酯、聚酰胺、丙烯酸樹脂等)或半導(dǎo)體(例如硅、InP、GaAs、InAs AaxAlhAs (其中 0 < χ < 1)、InfahASyPh (其中 0 < χ <l,0<y< 1))、絕緣體上硅(SOI)基板、氧化物上氮化物基板(例如氧化物上氮化硅) 或設(shè)置于硅或SOI基板上的III-V族半導(dǎo)體。如在一些早先的示例中所示的，基板20可包括多層。多層基板的其它示例包括AWaAs上GaAs或AlO2上GaAs。在圖1中所示的實(shí)施例中，介電層12的一部分12’直接生長(zhǎng)或沉積在基板20上。 可使用任意適合的介質(zhì)材料，所述介質(zhì)材料選擇為具有比與其相鄰的材料(例如基板20) 和/或環(huán)境(例如空氣)的折射率高的折射率。適合的介質(zhì)材料的非限制性示例包括III-V 族半導(dǎo)體，聚合材料或絕緣體。III-V族半導(dǎo)體介質(zhì)材料可通過外延生長(zhǎng)來形成；聚合材料可通過旋轉(zhuǎn)涂覆或其它類似沉積技術(shù)來形成；絕緣體可通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法 (PECVD)、低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)或其它類似沉積技術(shù)來形成。在本實(shí)施例中，構(gòu)成增益區(qū)14的材料然后生長(zhǎng)或沉積在介電層12的部分12'上。 構(gòu)成增益區(qū)14的材料可為呈現(xiàn)出期望的放大特性的任意材料。在一個(gè)示例中，增益區(qū)14 材料選自III-V族半導(dǎo)體材料(例如銦鎵砷化物)或摻鉺玻璃。增益區(qū)14可包括量子點(diǎn)(例如成簇的或成錐體的)或量子阱。III-V族半導(dǎo)體材料的量子點(diǎn)可外延地生長(zhǎng)，或可單獨(dú)合成并旋涂在采用抗蝕型材料(其非限制性示例包括聚酰亞胺、旋涂玻璃、光致抗蝕劑等)的部分12’上。量子點(diǎn)使注入的電子和空穴在本地復(fù)合，從而為裝置10提供增益。在實(shí)施例中，量子點(diǎn)具有從大約IOnm到大約20nm范圍內(nèi)的平均寬度，平均高度高達(dá)大約3nm。量子阱可通過使一種材料(例如砷化鎵)夾在兩層具有較寬帶隙的材料(例如砷化鋁、砷化銦、銦鎵砷化物等)之間而形成在半導(dǎo)體中。應(yīng)當(dāng)理解的是，裝置10可包括一個(gè)以上的量子阱。通常，該阱材料的帶隙低于周圍材料的帶隙。在一個(gè)實(shí)施例中，增益區(qū)14包括單阱層(其中基板和/或介電層12形成較高帶隙的材料)， 在另一實(shí)施例中，增益區(qū)14包括多阱層(其中除基板和/或介電層12之外的材料形成較高帶隙的材料)。電子和空穴可被注入到裝置10中，量子阱充當(dāng)電子和空穴的陷阱。電子和空穴在量子阱的復(fù)合為裝置10提供了增益。量子阱可通過分子束外延或化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)。應(yīng)當(dāng)理解的是，在設(shè)置增益區(qū)14期間，可改變氣體以達(dá)到期望的層。如圖1中所示，一旦形成增益區(qū)14，那么在其上利用之前描述的材料和技術(shù)生長(zhǎng)或沉積介電層12的第二部分12”。介電層12(包括兩個(gè)部分12’、12”)的總厚度為激射波長(zhǎng)的幾分之一。該總厚度將至少部分地取決于層12的折射率。通常，越高的折射率導(dǎo)致越薄的層。在一個(gè)示例中，總厚度為大約200nm，其中每個(gè)部分12’、12”的厚度為大約lOOnm。在如圖1所示的實(shí)施例中，增益區(qū)14包含于介電層12的部分12’、12”之間?？?br> 5以確信，這種具有增益區(qū)14的布置使入射光波長(zhǎng)的重疊最大化。在各材料生長(zhǎng)或沉積到理想厚度之后，在介電層12的部分12”中形成開口 16，在表面S1上設(shè)置納米天線18。在一個(gè)實(shí)施例中，在普遍應(yīng)用于CMOS和III-V族半導(dǎo)體工藝中的干蝕刻或濕蝕刻技術(shù)之后通過某種形式的光刻(例如光學(xué)光刻、電子束光刻、納米壓印光刻等)形成開口 16。干蝕刻的非限制性示例包括利用氟、氯和/或甲烷氣體的反應(yīng)性離子蝕刻(RIE)，濕蝕刻的非限制性示例利用HC1、HF、氫氧化鈉、氫氧化銨、硝酸和/或硫酸溶液。開口 16通常不延伸穿過介電層部分12”的整個(gè)厚度，使得入射到開口 16的光不直接接觸增益區(qū)14。期望增益區(qū)14維持不變，且在物理上與蝕刻特征/開口 16分離。該結(jié)構(gòu)有利地避免了載流子的非輻射復(fù)合。在介質(zhì)部分12’(或圖2中所示的層12)為IOOnm的實(shí)施例中，開口 16 的深度為50nm以下。如圖1所示，開口 16具有立方體或矩形棱鏡幾何形狀。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，開口 16可具有任意合適的幾何形狀，只要形成周期性性陣列。雖然圖1中示出了少量的開口 16， 但進(jìn)一步應(yīng)當(dāng)理解的是，可形成任意數(shù)量的開口 16，且開口 16的數(shù)量可至少部分地取決于表面S1上包括的天線18的數(shù)量。在一個(gè)實(shí)施例中，開口 16的數(shù)量從10X10到100X100 的陣列變化。在一個(gè)非限制性示例中，陣列包括IOX 120個(gè)開口 16。在另一非限制性示例中，陣列包括100X100個(gè)開口 16。此外，在某種情況下，陣列沿兩個(gè)方向(X和Y)具有相同周期性。如這里進(jìn)一步描述的，開口 16使入射到其上的光散射(具有相應(yīng)頻率/角度)到介電層12中。應(yīng)當(dāng)理解的是，相應(yīng)頻率至少部分地由陣列的周期性和期望的拉曼波長(zhǎng)確定。更為具體地，相應(yīng)頻率可通過以下等式計(jì)算= ± sin θ其中λ為真空波長(zhǎng)，θ為入射角，Λ為光柵周期，nrff為在引導(dǎo)/介電層12中的傳播模式的有效折射率。布置在裝置10的表面S1上的每個(gè)納米天線18包括至少一個(gè)處于納米級(jí)(例如從Inm到200nm)的尺寸(例如1/2長(zhǎng)(即一個(gè)線段的長(zhǎng)度)、寬、高等)。納米天線18可具有任意合適的幾何形狀，且常包括將通過拉曼光譜術(shù)所研究的感興趣材料引入其中的間隙G。圖1所示的納米天線18的實(shí)施例為線性天線(即，其沿單一方向延伸，無彎曲或轉(zhuǎn)向)。線性納米天線18包括兩個(gè)在其之間布置有間隙G的線路段18A、18B。所述線路段 18A、18B(和由此的光學(xué)天線18)常常由等離子振子(plasmonic)材料(例如，諸如金和銀的貴金屬)制成。應(yīng)當(dāng)理解的是，也可以使用其它的納米天線18幾何形狀。所述其它的幾何形狀的非限制性示例為十字形天線(圖2中所示)、蝶形天線以及橢圓形、球形或多面體納米顆粒二聚物天線。二聚物天線18包括兩個(gè)接觸的或在其之間具有較小間隙(例如小于lOnm)的金屬顆粒。應(yīng)當(dāng)理解的是，天線18的幾何形狀可改變，使得其以期望的頻率共振。納米天線18可通過光刻技術(shù)(例如光學(xué)光刻、電子束光刻、納米壓印光刻、光刻、 遠(yuǎn)紫外光刻、X射線光刻等)來形成，或通過沉積技術(shù)和蝕刻技術(shù)的組合來形成，或通過沉積技術(shù)和剝離技術(shù)的組合來形成，或通過直接沉積技術(shù)(例如使用聚焦離子束或噴鍍)來形成。在一個(gè)非限制性示例中，天線18是通過光刻技術(shù)、金屬蒸鍍以及剝離技術(shù)的組合來限定。如圖1所示，裝置10的一個(gè)實(shí)施例還包括電泵沈。電泵沈包括一對(duì)以足以向增益區(qū)14供給電能的方式可操作地連接到裝置10的觸頭或電極Ej1或E、E2。如圖1所示， 電極E、E1均與介電層12的一個(gè)部分12’保持電氣通信，或一個(gè)電極E可與部分12’保持電氣通信，而另一電極&與基板20保持電氣通信。電極Ej1或氏中的一個(gè)或兩個(gè)可為金屬(例如金、鉬、鋁、銀、鎢、銅等)。雖然示出的單個(gè)電極E、E1或E、E2具有矩形截面，但應(yīng)當(dāng)理解的是，電極E、E1或E、E2還可具有圓形、橢圓形或更復(fù)雜的截面。電極E、E1或E、E2 還可具有很多不同的寬度或直徑以及縱橫比或偏心率。此外，電極E、E1或E、 可以以可用的狀態(tài)獲得，或可利用常規(guī)的技術(shù)(例如光刻或電子束光刻)、或通過更加先進(jìn)的技術(shù)(例如壓印光刻)制成。在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)E、E1^2的厚度在大約5nm到大約30nm的范圍內(nèi)。金屬電極Ej2還可連接到高摻雜半導(dǎo)體，以形成歐姆觸頭(即具有非常低的阻抗的觸頭)。當(dāng)使用III-V族半導(dǎo)體與金屬電極E、E2結(jié)合以形成歐姆觸頭時(shí)，應(yīng)當(dāng)理解的是， 在外延生長(zhǎng)以形成后觸頭(例如與基板20和電極氏相鄰)期間，或在離子注入以形成上觸頭(例如，與介電層12、12’和電極E相鄰)期間可以使用任意合適的攙雜物。應(yīng)當(dāng)理解的是，在本實(shí)施例中，還可摻入間隙半導(dǎo)體(例如構(gòu)成介電層12和/或增益區(qū)14的半導(dǎo)體)。在又一實(shí)施例中，可利用垂直p-n結(jié)實(shí)現(xiàn)將電泵入III-V增益區(qū)14中。例如，高 P摻雜區(qū)域可形成在表面S1上并連接到金屬孔(Vias)，對(duì)基板20進(jìn)行高η摻雜，并連接到另一金屬觸頭。在本實(shí)施例中，間隙半導(dǎo)體(例如構(gòu)成介電層12和/或增益區(qū)14的半導(dǎo)體)可稍被摻雜以降低串聯(lián)電阻。雖然圖1示出了電泵沈，但應(yīng)當(dāng)理解的是，光泵(參照?qǐng)D2所示和進(jìn)一步所描述的)可用于向增益區(qū)14供給能量。當(dāng)裝置10被適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)(包括期望的開口 16和納米天線18幾何形狀)時(shí)，可放大具有相應(yīng)頻率/角度的光。在裝置10的使用過程中，在天線18周圍的特定小區(qū)域(即熱斑)中的電場(chǎng)比處于或大約處于天線18的共振頻率的特定頻率范圍內(nèi)的入射電磁(EM) 波的電場(chǎng)強(qiáng)得多。同樣，當(dāng)感興趣的材料(或由感興趣的材料制成的對(duì)象)被放置在熱斑處時(shí)，該材料的拉曼散射在激發(fā)過程或輻射過程或，在某些情況下，在激發(fā)和輻射兩個(gè)過程中得到大大增強(qiáng)。這至少部分是由于介電層12(包括開口 16)和增益區(qū)14的存在。在裝置 10的使用過程中，感興趣的材料被放置在納米天線18的間隙中或納米天線18的任意熱斑處；激射波長(zhǎng)/激發(fā)波長(zhǎng)的光射向表面S1 ；電能被供給增益區(qū)14 (其向裝置10提供增益)。 入射到開口 16上的光在介電層12中散射，并在介電層12中被俘獲。被散射俘獲的光波沿著介電層12傳播，且在各個(gè)開口 16之間多次反射。被俘獲傳播的波通過電激發(fā)增益區(qū)14 而被放大。這些被放大的波增強(qiáng)了熱斑中材料的激發(fā)，且生成用于拉曼光譜術(shù)的較大的局部電場(chǎng)。應(yīng)當(dāng)理解的是，泵入到裝置10中的電功率是補(bǔ)充激發(fā)光束中已存在的功率。在存在泵浦增益的情況下SERS信號(hào)將隨額外的功耗而單調(diào)增大。現(xiàn)在參照?qǐng)D2，描述另一實(shí)施例的裝置10’。與圖1所示的實(shí)施例相同的是，本實(shí)施例中的介電層12和增益區(qū)14均布置在基板20上。然而，與圖1所示的實(shí)施例不同的是，本實(shí)施例中的增益區(qū)14相鄰于表面&，S1放置，表面&，S1與激發(fā)光/激射光射向的表面S1, S2相對(duì)。同樣，增益區(qū)14布置在基板20和介電層12之間，且未夾在介電層12的部分12’、12”之間?？梢允褂萌我夂线m的介質(zhì)材料，所述介質(zhì)材料選擇為具有比與其相鄰的材料(例如基板20)和/或環(huán)境(例如空氣)的折射率高的折射率。應(yīng)當(dāng)理解的是，介電層12可為這里參照?qǐng)D1所述的材料的任意一種。在本實(shí)施例中，增益區(qū)14和基板20均選擇為具有比介電層12的折射率小的折射率?；?0還選擇為使得其不吸收裝置10’的激發(fā)或輻射頻率。參照?qǐng)D1描述了適合的基板材料和增益區(qū)材料的示例。在本實(shí)施例中，構(gòu)成增益區(qū)14的材料生長(zhǎng)或沉積在基板20上。構(gòu)成增益區(qū)14的材料可以為本文描述的材料的任意一種。類似于圖1所述的實(shí)施例，增益區(qū)14可包括量子點(diǎn)(例如成簇或成角錐形)或量子阱。在本實(shí)施例中也可以利用本文公開的關(guān)于量子點(diǎn)或量子阱的任意一種方法和/或材料。如圖2所示，一旦形成增益區(qū)14，則在其上利用先前描述的材料和技術(shù)生長(zhǎng)或沉積介電層12。介電層12的總厚度為激射波長(zhǎng)的幾分之一。如先前提及的，總厚度將至少部分地取決于層12的期望折射率，且折射率越高，層12越薄。在一個(gè)示例中，總厚度為大約200nm。在另一示例中，總厚度為lOOnm。圖2所示的裝置10’的實(shí)施例可能沒有圖1和圖3分別所示的裝置10、10”的實(shí)施例有效，這至少部分地是因?yàn)樵鲆鎱^(qū)14的位置；然而， 該裝置10，比裝置10和10”更易于制造。在各材料生長(zhǎng)或沉積到期望的厚度之后，利用本文描述的方法在介電層12的一部分中形成開口 16，利用本文公開的材料和方法在表面S1I布置納米天線18’。在圖2所示的實(shí)施例中，納米天線18’包括以非零角度交叉且在它們的交叉部分共享間隙G的兩個(gè)單獨(dú)天線(每個(gè)天線包括兩段1 和18b)。如圖2中所示，一個(gè)實(shí)施例的裝置10’還包括光泵28。光泵28包括至少一個(gè)光源L，光源L相對(duì)于裝置10’以足以向增益區(qū)14供給光能的方式可操作地設(shè)置。如圖2所示，光源L與增益區(qū)14的一個(gè)區(qū)域保持光通信。應(yīng)當(dāng)理解的是，可使用多個(gè)光源L，以向增益區(qū)14供給能量，且所述附加的光源(未示出)可設(shè)置為使得光射向增益區(qū)14的其它區(qū)域。光源L的非限制性示例包括發(fā)光二極管(LED)或激光器，其頻率取決于所使用的增益區(qū)14。作為一個(gè)示例，摻鉺玻璃在980nm或1480nm處被泵浦，且在1550nm區(qū)域中呈現(xiàn)出增
■、Λ
frff. ο當(dāng)裝置10’被適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)(包括期望的開口 16和納米天線18’幾何形狀)時(shí)，可放大具有相應(yīng)頻率/角度的光。在裝置10’的使用過程中，在天線18’周圍的特定小區(qū)域中(即熱斑)的電場(chǎng)比處于或大約處于天線18’的共振頻率的特定頻率范圍內(nèi)的入射電磁 (EM)波的電場(chǎng)強(qiáng)得多。同樣，當(dāng)感興趣的材料(或由感興趣的材料制成的對(duì)象)被放置在熱斑處時(shí)，該材料的拉曼散射在激發(fā)過程或輻射過程或，在某些情況下，在激發(fā)和輻射兩個(gè)過程中得到大大增強(qiáng)。這至少部分是由于介電層12(包括開口 16)和增益區(qū)14的存在。更具體地，在裝置10’的使用過程中，感興趣的材料被放置在交叉的納米天線18’的間隙G中 (或納米天線18’的任意熱斑處)；激射波長(zhǎng)/激發(fā)波長(zhǎng)的光射向表面S1 ；光能被供給增益區(qū)14(其向裝置10’提供增益)。入射到開口 16上的光(來自激發(fā)/激射光源，未示出) 在介電層12中散射，并在介電層12中被俘獲。被散射俘獲的光波沿著介電層12’傳播，且在各個(gè)開口 16之間多次反射。被俘獲傳播的波通過光激發(fā)增益區(qū)14而被放大。這些被放大的波增強(qiáng)了熱斑中材料的激發(fā)，且生成用于拉曼光譜術(shù)的較大的局部電場(chǎng)。應(yīng)當(dāng)理解的是，泵入到裝置10中的光功率是補(bǔ)充激發(fā)光束中已存在的功率。在存在泵浦增益的情況下 SERS信號(hào)將隨額外的功耗而單調(diào)增大。參照?qǐng)D3，描述又一實(shí)施例的裝置10”。與參照?qǐng)D1和圖2所述的元件和部件相似的元件和部件包括于圖3的裝置10”中，因此結(jié)合所述裝置10、10’描述的材料和技術(shù)適用于圖3所示的裝置10”。雖然在圖3中未示出電泵沈和/或光泵觀，但應(yīng)當(dāng)理解的是，可使用所述泵26、28的其中一個(gè)以向增益區(qū)14供給能量。在圖3所示的實(shí)施例的裝置10”中，增益區(qū)14形成在介電層12的所有部分或一部分中。為增益區(qū)14所選的材料可通過離子注入而被注入到介電層中。本實(shí)施例的一個(gè)非限制性示例為引入玻璃層中的鉺離子。應(yīng)當(dāng)理解的是，可控制在離子注入過程中使用的電壓，以控制離子被注入到介電層14的深度。在一些情況中，離子可被注入到介電層12的整個(gè)深度，由此增益區(qū)14遍及整個(gè)介電層12。在其它的情況中，離子可被注入到介電層12 深度的一部分中，由此增益區(qū)14存在于介電層12的該部分中。應(yīng)當(dāng)理解的是，部件12、14、16以及18或18’可不布置在整個(gè)基板20上，而是可懸浮在基板20上方。圖5D示出了這種示例。圖5A和5C或圖5B或5D—起示出了這樣的裝置10”’的形成。圖5A和5B中示出的實(shí)施例與圖1所示的裝置10相似，除了包括6X6 個(gè)開口 16的陣列。應(yīng)當(dāng)理解的是，開口 16的陣列在一些情況中可具有相同的X和Y周期性。此外，在本實(shí)施例中，穿過介電層12的整個(gè)深度形成開口 30，以使基板20暴露。 所述開口 30可包圍部件12、14、16、18?？梢砸灶愃朴谟糜谛纬砷_口 16的方式來形成這些開口 30，例如，經(jīng)干或濕蝕刻之后通過特定形式的光刻來形成。在形成開口 30之后，可選擇性地蝕刻基板20而不蝕刻介電層12或增益區(qū)14的蝕刻劑通過開口 30暴露于基板20。這種蝕刻劑去除了基板20的一部分。以此方式蝕刻基板20得到開口 16、納米天線18以及層12和層14 (所述部件16、18形成或布置在其上)懸浮在形成于基板20中的空腔32上方?；?0暴露于蝕刻劑的時(shí)間將指示基板20中的多少被去除。通常，蝕刻時(shí)間取決于所使用的蝕刻劑的濃度和類型。在一個(gè)實(shí)施例中，蝕刻時(shí)間小于或等于5分鐘。在一個(gè)非限制性示例中，當(dāng)介電層12為GaAs，基板20為AWaAs時(shí)， 氫氟酸(HF)可為合適的蝕刻劑。雖然圖5D所示的空腔32具有清楚限定的幾何形狀，但應(yīng)當(dāng)理解的是，空腔32可具有任何規(guī)則的或不規(guī)則的幾何形狀。作為一個(gè)非限制性示例，空腔32的側(cè)壁可為傾斜的，而不是圓形的。圖5C(俯視圖)和圖5D(截面圖)示出了所得到的懸浮裝置10”’。在本實(shí)施例中，應(yīng)當(dāng)理解的是，介電層12的折射率高于周圍環(huán)境(例如空腔32中的空氣)的折射率。本文公開的裝置10、10’、10”、10”’適合應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)的拉曼探測(cè)步驟。圖4示意性地示出了用于此類步驟的系統(tǒng)100，其包括裝置10、10’、10”、10”’、電泵沈或光泵觀、激射 /激發(fā)光源22以及探測(cè)器M。在一些實(shí)施例中，分析物分子或顆粒分布在間隙中或位于納米天線18、18’的熱斑處，且隨后受到來自光源22的適合的激射/激發(fā)波長(zhǎng)的激光激發(fā)。如先前所述的，入射到開口 16上的光在介電層12中散射，并在介電層12中被俘獲。被俘獲的光通過增益層14被放大。該被放大的光增強(qiáng)了納米天線18、18’之內(nèi)或之上的分子/顆粒的激發(fā)，利用已知的探測(cè)器M探測(cè)所得到的拉曼信號(hào)。 雖然詳細(xì)描述了多個(gè)實(shí)施例，但可修改所公開的實(shí)施例，這對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯然的。因此，上述描述被認(rèn)為是示例性的而非限制性的。
權(quán)利要求
1.一種用于表面增強(qiáng)拉曼光譜術(shù)的光放大裝置(10、10’、10”、10”’)，包括具有兩個(gè)相對(duì)的表面(S1A2)的介電層(12)，其中所述介電層(12)的折射率高于與其直接相鄰的材料或環(huán)境的折射率；形成在所述介電層(1 的所述兩個(gè)相對(duì)的表面(Sp S2)中的一個(gè)(S1)中的至少一個(gè)開口 (16)；設(shè)置在所述介電層(12)的所述兩個(gè)相對(duì)的表面(Sp S2)中的所述一個(gè)(S1)上的至少一個(gè)納米天線(18、18’ )；以及位于所述介電層(12)中或與所述介電層(12)的所述兩個(gè)相對(duì)的表面(SpS)中的另一個(gè)(S2)相鄰的增益區(qū)(14)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大裝置(10、10，、10”、10”，)，進(jìn)一步包括基板(20)，所述介電層(1 直接或間接設(shè)置在所述基板00)上，其中所述基板00)具有比所述介電層 (12)的折射率小的折射率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光放大裝置(10、10，、10”、10”，)，其中所述增益區(qū)(14)位于所述介電層(1 中，并且其中所述介電層(1 直接設(shè)置在所述基板OO)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光放大裝置(10、10，、10”、10”，)，其中所述增益區(qū)(14)與所述介電層(12)的所述兩個(gè)相對(duì)的表面(S1A2)中的所述另一個(gè)(S2)相鄰，并且其中所述增益區(qū)(14)直接設(shè)置在所述基板OO)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的光放大裝置(10、10，、10”、10”，)，其中所述增益區(qū)(14)包括量子點(diǎn)或量子阱中的至少一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項(xiàng)所述的光放大裝置(10、10，、10”、10”，)，其中所述增益區(qū)(14)包括III-IV族半導(dǎo)體材料或摻鉺玻璃。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任意一項(xiàng)所述的光放大裝置(10、10’、10”、10”’)，進(jìn)一步包括以下至少一種i) 一對(duì)電極(E、E1或E、E2)或ii)配置為向所述增益區(qū)(14)供給能量的光源(L)。
8.一種用于施行表面增強(qiáng)拉曼光譜術(shù)的系統(tǒng)(100)，包括 光放大裝置(10、10，、10”、10”，)，包括具有兩個(gè)相對(duì)的表面(S1A2)的介電層(12)，其中所述介電層(12)的折射率高于與其直接相鄰的材料或環(huán)境的折射率；形成在所述介電層的所述兩個(gè)相對(duì)的表面(Sp S2)中的一個(gè)(S1)中的至少一個(gè)開口 (16)；設(shè)置在所述介電層(12)的所述兩個(gè)相對(duì)的表面(Sp S2)中的所述一個(gè)(S1)上的至少一個(gè)納米天線(18、18’ )；以及位于所述介電層(12)中或與所述介電層(12)的所述兩個(gè)相對(duì)的表面(SpS)中的另一個(gè)(S2)相鄰的增益區(qū)(14)；可操作地配置為向所述增益區(qū)(14)供給能量的能量源06、觀)；以及可操作地配置為將光導(dǎo)向所述光放大裝置(10、10’、10”、10”’ )的所述至少一個(gè)納米天線(18、18’ )的光源02)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)(100)，進(jìn)一步包括可操作地設(shè)置為探測(cè)來自與所述光放大裝置(10、10’、10”、10”’)的所述至少一個(gè)納米天線(18、18’)的至少一部分相鄰的感興趣的材料的增強(qiáng)拉曼信號(hào)。
10.一種用于表面增強(qiáng)拉曼光譜術(shù)的光放大裝置(10、10’、10”、10”’)的制造方法，該方法包括在介電層(12)的兩個(gè)相對(duì)的表面(S1A2)中的一個(gè)(S1)中形成至少一個(gè)開口(16)，所述介電層(1 的折射率高于被配置為與其直接相鄰的材料或環(huán)境的折射率；在所述介電層(1 的所述兩個(gè)相對(duì)的表面(Sp S2)中的所述一個(gè)(S1)上設(shè)置至少一個(gè)納米天線(18、18’ )；以及在所述介電層(12)中或與所述介電層(12)的所述兩個(gè)相對(duì)的表面(SpS)中的另一個(gè)(S2)相鄰地設(shè)置增益區(qū)(14)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，進(jìn)一步包括可操作地放置能量源(沈、28)使得其選擇性地被配置為向所述增益區(qū)(14)供給能量，所述能量源(沈、28)選自i) 一對(duì)電極(Ej1 或Ε、E2)和ii)光源(L)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的方法，進(jìn)一步包括在折射率小于所述介電層(12)的折射率的基板00)上直接或間接設(shè)置所述介電層(12)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中在所述介電層(1 中設(shè)置所述增益區(qū)(14)和在所述基板00)上直接設(shè)置所述介電層(1 通過以下步驟完成在所述基板00)上直接生長(zhǎng)所述介電層(1 的第一部分(12’ )；在所述介電層(1 的所述第一部分(12’ )上生長(zhǎng)量子阱以形成所述增益區(qū)(14)；以及在所述增益區(qū)(14)上生長(zhǎng)所述介電層(12)的第二部分(12”)，其中所述介電層(12) 的所述第二部分(12”)的表面為所述介電層(1 的所述兩個(gè)相對(duì)的表面(S” S2)中的所述一個(gè)(S1)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中與所述兩個(gè)相對(duì)的表面(SpS)的另一個(gè)(S2) 相鄰地設(shè)置所述增益區(qū)(14)通過以下步驟完成在所述基板OO)上直接沉積形成所述增益區(qū)(14)的材料；然后所述增益區(qū)(14)上沉積所述介電層(12)。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中在所述介電層(1 中設(shè)置所述增益區(qū)(14)通過離子注入完成。
全文摘要
本文公開一種用于表面增強(qiáng)拉曼光譜術(shù)的光放大裝置(10、10’、10”、10”’)。裝置(10、10’、10”、10”’)包括具有兩個(gè)相對(duì)的表面(S1、S2)的介電層(12)。介電層(12)的折射率高于與其直接相鄰的材料或環(huán)境的折射率。至少一個(gè)開口(16)形成在介電層(12)的兩個(gè)相對(duì)的表面(S1、S2)中的一個(gè)(S1)中，并且至少一個(gè)納米天線(18、18’)設(shè)置在介電層(12)的兩個(gè)相對(duì)的表面(S1、S2)中的一個(gè)(S1)上。增益區(qū)(14)位于介電層(12)中或與介電層(12)的兩個(gè)相對(duì)的表面(S1、S2)中的另一個(gè)(S2)相鄰。
文檔編號(hào)G01J3/44GK102472666SQ200980160869
公開日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2009年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月8日
發(fā)明者S-Y·王, 戴維·A·法塔勒, 李志勇, 李晶晶 申請(qǐng)人:惠普開發(fā)有限公司