CN103048715A - 平面亚波长非周期高对比度光栅及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面亚波长非周期高对比度光栅，包括高折射率材料器件层，所述高折射率材料器件层的上表面为长方形，且所述高折射率材料器件层上分布有平行于长方形短边的光栅，所述光栅的相位分布满足方程φ(y)=k₀(y²/2f_y)。本发明所设计的平面亚波长非周期高对比度光栅不需要改变光栅的设计结构，就可以使光栅获得相应的聚焦能力。

Description

平面亚波长非周期高对比度光栅及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种平面亚波长非周期高对比度光栅，属于信息材料与器件技术领域。

背景技术

高对比度光栅（HCG:High-Contrast Grating）是一种光栅周期小于光波长的光栅，具有高反射以及透射聚焦能力。当光照射到其表面时，该光栅具有不发生高次衍射的特点。随着光栅衍射理论和光栅制造技术的不断完善，这种亚波长光栅被广泛用于制作抗反射元件、偏正器件、窄带滤波器等。利用HCG的高反射率性能，可以设计光探测器的反射镜，调节光栅参数，可以分析探测器的效率。

利用硅材料和Ⅲ族氮化物与空气折射率的差异，获得对光场有强约束作用的非周期高对比度的光栅结构。利用硅材料的反射能力以及高质量的谐振能力获得的这种高对比度光栅，可以进一步加工制成高质量因子谐振器件。利用Ⅲ族氮化物的低损耗以及高透射能力获得的这种高对比度光栅，可以进一步加工制成具有高透射率的空芯波导。将这种非周期的高对比度光栅应用在垂直腔表面发射激光器（或可调谐的垂直腔表面发射激光器）中，可以提高激光器的性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种不需要改变光栅的设计结构，就可以使光栅获得相应聚焦能力的平面亚波长非周期高对比度光栅及其制备方法。

本发明提出解决上述技术问题的技术方案：本发明设计了一种平面亚波长非周期高对比度光栅，包括从上到下依次设置有高折射率材料器件层、低折射率材料层和硅衬底层，所述高折射率材料器件层的上表面为长方形，所述高折射率材料器件层上分布有平行于长方形短边的光栅，所述光栅的相位分布满足方程φ(y)=k₀(y²/2f_y)；

其中，y轴定义为长方形的短边，x轴定义为长方形的长边，f_y定义为xy平面上的焦距，φ(y)定义为相位分布，k₀=2π/λ₀，且k₀定义为自由空间的波矢常量，所述低折射率材料层具有一个空腔。

本发明还设计了一种平面亚波长非周期高对比度光栅，包括从上到下依次设置有高折射率材料器件层和硅衬底层，所述高折射率材料器件层的上表面为长方形，所述高折射率材料器件层上分布有平行于长方形短边的光栅，所述光栅的相位分布满足方程φ(y)=k₀(y²/2f_y)，其中，y轴定义为长方形的短边，x轴定义为长方形的长边，f_y定义为xy平面上的焦距，φ(y)定义为相位分布，k₀=2π/λ₀，且k₀定义为自由空间的波矢常量，所述硅衬底层底部具有一个凹槽。

作为本发明的一种优化结构：所述高折射率材料器件层的材质为硅。

作为本发明的一种优化结构：所述高折射率材料器件层的材质为Ⅲ族氮化物。

本发明还设计了一种所述平面亚波长非周期高对比度光栅的方法，实现载体为SOI晶片，包括如下具体步骤：

步骤（1）：在所述SOI晶片的顶层硅器件层旋涂一层电子束光刻胶层；

步骤（2）：采用电子束曝光技术在上述电子束光刻胶层按照方程φ(y)=k₀(y²/2f_y)定义分布平行于长方形短边的光栅，形成非周期高对比度光栅结构；

步骤（3）：采用离子束轰击技术将步骤（2）中的非周期高对比度光栅结构转移至顶层硅器件层；

步骤（4）：利用氧气等离子灰化方法去除残余的电子束光刻胶层；

步骤（5）：采用BHF或Vapor HF技术，将位于非周期高对比度光栅结构下部的氧化物埋层去除，形成一个空腔。

本发明还设计了一种制备所述平面亚波长非周期高对比度光栅的方法，实现载体为硅衬底Ⅲ族氮化物晶片，包括如下具体步骤：

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按照方程φ(y)=k₀(y²/2f_y)定义分布平行于长方形短边的光栅，形成非周期高对比度光栅结构；

步骤（3）：利用氮化物刻蚀技术将步骤（2）中的非周期高对比度光栅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非周期高对比度光栅结构；

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。

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.非周期的高对比度光栅具有不同的周期和占空比，经过设计使这种结构具有相应的聚焦能力，并且工艺流程简单；

2.不需要改变光栅的设计结构，只要将硅材料改为Ⅲ族氮化物材料，就可以使原有光栅的反射聚焦能力改变为透射聚焦能力；

3.利用它具有不发生高次衍射波的特点，随着光栅衍射理论和光栅制造技术的不断完善，亚波长光栅被广泛用于制作抗反射元件、偏正器件、窄带滤波器等；

4.利用HCG的高反射率性能，可以设计光探测器的反射镜，调节光栅参数，可以分析探测器的效率；

5.利用硅材料的反射能力以及高质量的谐振能力获得的这种高对比度光栅，可以进一步加工制成高质量因子谐振器件。

6.利用Ⅲ族氮化物的低损耗以及高透射能力获得的这种高对比度光栅，可以进一步加工制成具有高透射率的空芯波导。

7.在微机电结构（MEMS：Micro-electromechanical Structures）与垂直腔表面发射激光器的集成领域，提出利用HCG的高反射性能。

附图说明

图1a为具有反射聚焦能力的平面亚波长非周期高对比度光栅示意图；

图1b为具有透射聚焦能力的平面亚波长非周期高对比度光栅示意图；

图2为非周期高对比度光栅相位分布拟合曲线示意图；

图3a为具有反射聚焦能力的非周期高对比度光栅制备工艺流程；

图3b为具有透射聚焦能力的非周期高对比度光栅制备工艺流程；

图4a为硅材料光栅的反射聚焦平面在y方向上的时均功率流示意图；

图4b为Ⅲ族氮化物材料光栅的透射聚焦平面在y方向上的时均功率流示意图。

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1a所示，本发明设计了一种平面亚波长非周期高对比度光栅，包括从上到下依次设置有高折射率材料器件层、低折射率材料层和硅衬底层，这里的高折射率材料器件层的材质为硅，具有反射聚焦能力。

如图2所示，为非周期高对比度光栅相位分布拟合曲线示意图，所述高折射率材料器件层上分布有平行于长方形短边的光栅，所述光栅的相位分布满足方程φ(y)=k₀(y²/2f_y)，其中，y轴定义为长方形的短边，x轴定义为长方形的长边，f_y定义为xy平面上的焦距，φ(y)定义为相位分布，k₀=2π/λ₀，且k₀定义为自由空间的波矢常量，所述低折射率材料层具有一个空腔。

如图1b所示，本发明还设计了一种平面亚波长非周期高对比度光栅，包括从上到下依次设置有高折射率材料器件层和硅衬底层，这里的高折射率材料器件层的材质为Ⅲ族氮化物，具有透射聚焦能力，且不需要改变光栅的设计结构；

所述高折射率材料器件层的上表面为长方形，所述高折射率材料器件层上分布有平行于长方形短边的光栅，所述光栅的相位分布满足方程φ(y)=k₀(y²/2f_y)，其中，y轴定义为长方形的短边，x轴定义为长方形的长边，f_y定义为xy平面上的焦距，φ(y)定义为相位分布，k₀=2π/λ₀，且k₀定义为自由空间的波矢常量，所述硅衬底层底部具有一个凹槽。

如图3a所示，本发明还设计了一种所述平面亚波长非周期高对比度光栅的方法，实现载体为SOI晶片，包括如下具体步骤：

步骤（1）：在所述SOI晶片的顶层硅器件层旋涂一层电子束光刻胶层；

步骤（2）：采用电子束曝光技术在上述电子束光刻胶层按照方程φ(y)=k₀(y²/2f_y)定义分布平行于长方形短边的光栅，形成非周期高对比度光栅结构；

步骤（3）：采用离子束轰击技术将步骤（2）中的非周期高对比度光栅结构转移至顶层硅器件层；

步骤（4）：利用氧气等离子灰化方法去除残余的电子束光刻胶层；

步骤（5）：采用BHF或Vapor HF技术，将位于非周期高对比度光栅结构下部的氧化物埋层去除，形成一个空腔。

如图4a所示，为硅材料光栅的反射聚焦平面在y方向上的时均功率流示意图。

如图3b所示，本发明还设计了一种制备所述平面亚波长非周期高对比度光栅的方法，实现载体为硅衬底Ⅲ族氮化物晶片，包括如下具体步骤：

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按照方程φ(y)=k₀(y²/2f_y)定义分布平行于长方形短边的光栅，形成非周期高对比度光栅结构；

步骤（3）：利用氮化物刻蚀技术将步骤（2）中的非周期高对比度光栅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非周期高对比度光栅结构；

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。

如图4b所示，为Ⅲ族氮化物材料光栅的透射聚焦平面在y方向上的时均功率流示意图。

本发明所设计的平面亚波长非周期高对比度光栅应用范围广泛，例如：

利用它具有不发生高次衍射波的特点，随着光栅衍射理论和光栅制造技术的不断完善，亚波长光栅被广泛用于制作抗反射元件、偏正器件、窄带滤波器等。

利用HCG的高反射率性能，可以设计光探测器的反射镜，调节光栅参数，可以分析探测器的效率。

利用低损耗特性以及高透射能力，可以制成具有高透射率的空芯波导。

利用反射能力以及高质量的谐振能力，可以应用于高质量因子谐振器件。

在微机电结构（MEMS：Micro-electromechanical Structures）与垂直腔表面发射激光器的集成领域，提出了利用HCG的高反射性能。

Claims (6)

1.一种平面亚波长非周期高对比度光栅，其特征在于：包括从上到下依次设置有高折射率材料器件层、低折射率材料层和硅衬底层，所述高折射率材料器件层的上表面为长方形，所述高折射率材料器件层上分布有平行于长方形短边的光栅，所述光栅的相位分布满足方程φ(y)=k₀(y²/2f_y)，其中，y轴定义为长方形的短边，x轴定义为长方形的长边，f_y定义为xy平面上的焦距，φ(y)定义为相位分布，k₀=2π/λ₀，且k₀定义为自由空间的波矢常量，所述低折射率材料层具有一个空腔。

2.一种平面亚波长非周期高对比度光栅，其特征在于：包括从上到下依次设置有高折射率材料器件层和硅衬底层，所述高折射率材料器件层的上表面为长方形，所述高折射率材料器件层上分布有平行于长方形短边的光栅，所述光栅的相位分布满足方程φ(y)=k₀(y²/2f_y)，其中，y轴定义为长方形的短边，x轴定义为长方形的长边，f_y定义为xy平面上的焦距，φ(y)定义为相位分布，k₀=2π/λ₀，且k₀定义为自由空间的波矢常量，所述硅衬底层底部具有一个凹槽。

3.根据权利要求1所述的新型平面亚波长非周期高对比度光栅，其特征在于：所述高折射率材料器件层的材质为硅。

4.根据权利要求2所述的新型平面亚波长非周期高对比度光栅，其特征在于：所述高折射率材料器件层的材质为Ⅲ族氮化物。

5.一种制备权利要求3所述的新型平面亚波长非周期高对比度光栅的方法，其特征在于，实现载体为SOI晶片，包括如下具体步骤：

步骤（1）：在所述SOI晶片的顶层硅器件层旋涂一层电子束光刻胶层；

步骤（2）：采用电子束曝光技术在上述电子束光刻胶层按照方程φ(y)=k₀(y²/2f_y)定义分布平行于长方形短边的光栅，形成非周期高对比度光栅结构；

步骤（3）：采用离子束轰击技术将步骤（2）中的非周期高对比度光栅结构转移至顶层硅器件层；

步骤（4）：利用氧气等离子灰化方法去除残余的电子束光刻胶层；

步骤（5）：采用BHF或Vapor HF技术，将位于非周期高对比度光栅结构下部的氧化物埋层去除，形成一个空腔。

6.一种制备权利要求4所述的新型平面亚波长非周期高对比度光栅的方法，其特征在于，实现载体为硅衬底Ⅲ族氮化物晶片，包括如下具体步骤：

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按照方程φ(y)=k₀(y²/2f_y)定义分布平行于长方形短边的光栅，形成非周期高对比度光栅结构；

步骤（3）：利用氮化物刻蚀技术将步骤（2）中的非周期高对比度光栅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非周期高对比度光栅结构；

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。

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