CN102530821A - 基于硅衬底氮化物材料的悬空谐振光子器件及其制备方法 - Google Patents

基于硅衬底氮化物材料的悬空谐振光子器件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于硅衬底氮化物的悬空谐振光子器件及其制备方法，实现载体为硅衬底III族氮化物晶片，包括硅衬底层，以及设置在硅衬底层上的顶层氮化物器件层，所述硅衬底层具有一个贯穿至顶层氮化物层下表面的长方体空腔；所述顶层氮化物器件层位于空腔上部的悬空部分具有纳米光子器件结构。本发明还公开了一种基于硅衬底氮化物的悬空谐振光子器件的制备方法。本发明所设计的一种基于硅衬底氮化物的悬空谐振光子器件及其制备方法能够实现光波与悬空光子器件交互作用的基于硅衬底氮化物材料的悬空谐振光子器件以及便于与硅微电子技术集成，实现集成硅基光电子器件。

Description

基于硅衬底氮化物材料的悬空谐振光子器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种基于硅衬底氮化物材料的悬空谐振光子器件及其制备方法，属于信息材料及器件技术领域。
背景技术
光学性能来看，氮化物材料特别是GaN材料，具有较高的折射率(~2.5)，在可见光、近红外波段透明，是一种优异的光学材料。基于硅衬底的氮化物晶片可以实现悬空的氮化物薄膜，利用氮化物和空气之间的大的折射率差异，可以实现对光场有很强的限制作用的氮化物微纳光子器件，为小型化、高密度的微纳光子器件提供了物理基础。同时，悬空的氮化物光子器件具备了空间自由度，为引入微机电驱动调节光子器件的结构参数提供了可能。通过微机电驱动器，实现对光子器件的调制，控制光子器件的光学性能，可以进一步研究光子和纳米结构的相互作用等物理问题。此外，利用氮化物中的量子阱结构以及悬空氮化物纳米结构，可以实现激发光和纳米结构之间的交互作用，从而发展新颖的氮化物薄膜光子器件。 
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够实现光波与悬空光子器件交互作用的基于硅衬底氮化物材料的悬空谐振光子器件以及便于与硅微电子技术集成，实现集成硅基光电子器件的制备方法。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种基于硅衬底氮化物材料的悬空谐振光子器件，实现载体为硅衬底III族氮化物晶片，包括硅衬底层，以及设置在硅衬底层上的顶层氮化物器件层，其中：
所述硅衬底层具有一个贯穿至顶层氮化物层下表面的空腔；
所述顶层氮化物器件层位于空腔上部的悬空部分具有纳米光子器件结构。
作为本发明的一种优化结构：所述纳米光子器件结构为圆形光栅结构或二维光子晶体结构。
作为本发明的一种优化结构：所述纳米光子器件结构为线形光栅结构。
本发明还设计了一种基于硅衬底氮化物材料的悬空谐振光子器件的制备方法，选用硅衬底III族氮化物晶片为实现载体，包括硅衬底层，以及设置在硅衬底层上的顶层氮化物器件层，包括如下步骤：
步骤（1）：在所述硅衬底III族氮化物晶片的顶层氮化物器件层上表面旋涂一层电子束光刻胶层；
步骤（2）：利用电子束曝光技术在所述电子束光刻胶层定义纳米光子器件结构；
步骤（3）：利用氮化物刻蚀技术将步骤（2）中的纳米光子器件结构转移到所述顶层氮化物器件层；
步骤（4）：在所述顶层氮化物器件层的上表面再次旋涂一层光刻胶层用于保护步骤（3）中转移到顶层氮化物器件层的纳米光子器件结构；
步骤（5）：在所述硅衬底III族氮化物晶片的硅衬底层下表面旋涂一层光刻胶层，利用背后对准技术，在硅衬底层下表面的光刻胶层打开一个刻蚀窗口；
步骤（6）：将所述顶层氮化物器件层作为刻蚀阻挡层，利用深硅刻蚀工艺，通过刻蚀窗口将所述硅衬底层贯穿刻蚀至所述顶层氮化物器件层的下表面，使所述硅衬底层形成一个贯穿至所述顶层氮化物器件层下表面的空腔；
步骤（7）：利用氧气等离子体灰化方法去除残余的光刻胶层。
作为本发明的一种优化方法：所述基于硅衬底氮化物的悬空谐振光子器件的制备方法，还包括如下处理：
步骤（8）：通过背后减薄技术，将所述顶层氮化物器件层位于空腔上部的悬空部分从其下表面进行减薄处理。
作为本发明的一种优化方法：步骤（2）中所述纳米光子器件结构为圆形光栅结构或二维光子晶体结构。
作为本发明的一种优化方法：步骤（2）中所述纳米光子器件结构为线形光栅结构。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.本发明利用光子器件材料和空间介质的大折射率差，实现了光波与悬空光子器件的交互作用；
2.利用其结构上的对称性，悬空圆形光栅和二维光子晶体可以发展于偏振不敏感性光学元件，而悬空线形光栅可以用作偏振依赖性光学器件；
3.基于硅衬底氮化物材料的悬空谐振光子器件具有优良的光学性能，可以用作滤光器件，高反射率介质微镜以及光传感器件，其制备技术便于与硅微电子技术集成，实现集成硅基光电子器件。
附图说明
图1（a）是基于硅衬底氮化物材料的悬空谐振光子器件的结构简图。
图1（b）和图1（c）是基于硅衬底氮化物材料的超薄悬空谐振光子器件的结构简图。
图2是基于硅衬底氮化物材料的悬空谐振光子器件制备流程图
图3是基于硅衬底氮化物材料的悬空氮化物谐振圆形光栅。
图4是基于硅衬底氮化物材料的悬空氮化物谐振线形光栅。
图5是基于硅衬底氮化物材料的悬空氮化物谐振光子晶体。
图6是圆形氮化物谐振光栅的光学性能。
图7是线形氮化物谐振光栅的在不同数值孔径下的光学性能。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1（a）所示，本发明设计了一种基于硅衬底氮化物材料的悬空谐振光子器件，实现载体为硅衬底III族氮化物晶片，包括硅衬底层，以及设置在硅衬底层上的顶层氮化物器件层，其中：
所述硅衬底层具有一个贯穿至顶层氮化物层下表面的空腔；
所述顶层氮化物器件层位于空腔上部的悬空部分具有纳米光子器件结构。
作为本发明的一种优化结构：所述纳米光子器件结构为圆形光栅结构或二维光子晶体结构。
图3所示为基于硅衬底氮化物材料的悬空氮化物谐振圆形光栅。
作为本发明的一种优化结构：所述纳米光子器件结构为线形光栅结构。
图4所示为基于硅衬底氮化物材料的悬空氮化物谐振线形光栅。
如图2所示，本发明还设计了一种基于硅衬底氮化物材料的悬空谐振光子器件的制备方法，选用硅衬底III族氮化物晶片为实现载体，包括硅衬底层，以及设置在硅衬底层上的顶层氮化物器件层，包括如下步骤：
步骤（1）：在所述硅衬底III族氮化物晶片的顶层氮化物器件层上表面旋涂一层电子束光刻胶层；
步骤（2）：利用电子束曝光技术在所述电子束光刻胶层定义纳米光子器件结构；
步骤（3）：利用氮化物刻蚀技术将步骤（2）中的纳米光子器件结构转移到所述顶层氮化物器件层；
步骤（4）：在所述顶层氮化物器件层的上表面再次旋涂一层光刻胶层用于保护步骤（3）中转移到顶层氮化物器件层的纳米光子器件结构；
步骤（5）：在所述硅衬底III族氮化物晶片的硅衬底层下表面旋涂一层光刻胶层，利用背后对准技术，在硅衬底层下表面的光刻胶层打开一个刻蚀窗口；
步骤（6）：将所述顶层氮化物器件层作为刻蚀阻挡层，利用深硅刻蚀工艺，通过刻蚀窗口将所述硅衬底层贯穿刻蚀至所述顶层氮化物器件层的下表面，使所述硅衬底层形成一个贯穿至所述顶层氮化物器件层下表面的空腔；
步骤（7）：利用氧气等离子体灰化方法去除残余的光刻胶层。
作为本发明的一种优化方法：所述基于硅衬底氮化物的悬空谐振光子器件的制备方法，还包括如下处理：
步骤（8）：通过背后减薄技术，将所述顶层氮化物器件层位于空腔上部的悬空部分从其下表面进行减薄处理，实现基于硅衬底氮化物材料的超薄悬空谐振光子器件。
图1（b）和图1（c）是基于硅衬底氮化物材料的超薄悬空谐振光子器件的结构简图。
图5是基于硅衬底氮化物材料的悬空氮化物谐振光子晶体。
作为本发明的一种优化方法：步骤（2）中所述纳米光子器件结构为圆形光栅结构或二维光子晶体结构。
作为本发明的一种优化方法：步骤（2）中所述纳米光子器件结构为线形光栅结构。
利用线形光栅结构，可以实现偏振依赖性滤光器件和高反射率微镜。
利用圆形光栅和二维光子晶体的结构对称性，可以实现偏振不敏感的谐振光子器件。
图6所示为圆形氮化物谐振光栅的光学性能。
图7所示为线形氮化物谐振光栅的在不同数值孔径下的光学性能。

Claims (7)

1.一种基于硅衬底氮化物材料的悬空谐振光子器件，实现载体为硅衬底III族氮化物晶片，包括硅衬底层，以及设置在硅衬底层上的顶层氮化物器件层，其特征在于：
所述硅衬底层具有一个贯穿至顶层氮化物层下表面的长方体空腔；
所述顶层氮化物器件层位于空腔上部的悬空部分具有纳米光子器件结构。
2.根据权利要求1所述的基于硅衬底氮化物材料的悬空谐振光子器件，其特征在于：所述纳米光子器件结构为圆形光栅结构或二维光子晶体结构。
3.根据权利要求1所述的基于硅衬底氮化物材料的悬空谐振光子器件，其特征在于：所述纳米光子器件结构为线形光栅结构。
4.一种基于硅衬底氮化物材料的悬空谐振光子器件的制备方法，选用硅衬底III族氮化物晶片为实现载体，包括硅衬底层，以及设置在硅衬底层上的顶层氮化物器件层，其特征在于包括如下步骤：
步骤（1）：在所述硅衬底III族氮化物晶片的顶层氮化物器件层上表面旋涂一层电子束光刻胶层；
步骤（2）：采用电子束曝光技术在所述电子束光刻胶层定义纳米光子器件结构；
步骤（3）：采用氮化物刻蚀技术将步骤（2）中的纳米光子器件结构转移到所述顶层氮化物器件层；
步骤（4）：在所述顶层氮化物器件层的上表面再次旋涂一层光刻胶层用于保护步骤（3）中转移到顶层氮化物器件层的纳米光子器件结构；
步骤（5）：在所述硅衬底III族氮化物晶片的硅衬底层下表面旋涂一层光刻胶层，利用背后对准技术，在硅衬底层下表面的光刻胶层打开一个刻蚀窗口；
步骤（6）：将所述顶层氮化物器件层作为刻蚀阻挡层，利用深硅刻蚀工艺，通过刻蚀窗口将所述硅衬底层贯穿刻蚀至所述顶层氮化物器件层的下表面，使所述硅衬底层形成一个贯穿至所述顶层氮化物器件层下表面的长方体空腔；
步骤（7）：采用氧气等离子体灰化方法去除残余的光刻胶层。
5.根据权利要求4所述的基于硅衬底氮化物材料的悬空谐振光子器件的制备方法，其特征在于还包括如下处理：
步骤（8）：通过背后减薄技术，将所述顶层氮化物器件层位于空腔上部的悬空部分从其下表面进行减薄处理。
6.根据权利要求4所述的基于硅衬底氮化物材料的悬空谐振光子器件的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述纳米光子器件结构为圆形光栅结构或二维光子晶体结构。
7.根据权利要求4所述的基于硅衬底氮化物材料的悬空谐振光子器件的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述纳米光子器件结构为线形光栅结构。
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