CN103713341B - 一种非周期高对比度光栅 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非周期高对比度光栅及其制备方法，光栅结构包括从上到下的氮化物器件层和硅衬底层，顶氮化物器件层上具有光栅器件结构，光栅器件满足相位匹配方程：。光栅器件结构为非周期，以空气隙为间隔。氮化物器件层，使用的材料为氮化镓；硅衬底层具有一个贯穿至氮化物器件层下表面的空腔；氮化物器件层为完全悬空的。本发明的光栅聚焦和透射能力强、运用场景丰富、制备工艺简单。

Description

一种非周期高对比度光栅

技术领域

本发明属于信息材料与器件领域，涉及一种非周期高对比度光栅结构。

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。

利用三族氮化物与空气折射率的差异，获得光电器件对光场的约束限制作用。获得了非周期高对比度的光栅结构。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。使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以及可调谐的垂直腔表面发射激光器，提高了激光器性能。

发明内容

技术问题：本发明提供一种聚焦和透射能力强、运用场景丰富、制备工艺简单的非周期高对比度光栅，同时提供一种该光栅的制备方法。

技术方案：本发明的非周期高对比度光栅，以硅基氮化物晶片为载体，包括硅衬底层和设置在硅衬底层上方的氮化物器件层，氮化物器件层中设置有非周期光栅器件结构，非周期光栅器件结构下方设置有贯穿硅衬底层的空腔，使非周期光栅器件结构完全悬空；

非周期光栅器件结构为矩形，具有不同的周期与占空比，光栅条和光栅条之间以空气做为间隙，光栅的相位分布满足相位匹配方程：

$\mathrm{\φ}\left(x\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(f+\frac{{\mathrm{\φ}}_{max}}{2\mathrm{\π}}\mathrm{\λ}-\sqrt{x^2+f^2}).$

其中矩形的短边定义为x轴，矩形的长边定义为y轴，f为xy平面上的焦距，λ为入射光的波长，φ_max为所述非周期光栅器件结构最边缘条的的光栅相位，k₀定义为 自由空间的波矢常量，φ(x)为非周期光栅器件结构的相位分布。

本发明的非周期高对比度光栅中，非周期光栅器件结构的透射聚焦波长在可见光波段。

本发明的制备上述非周期高对比度光栅的方法，包括如下具体步骤：

(1)在硅基氮化物晶片的氮化物器件层上表面旋涂一层电子束光刻胶，采用电子束曝光技术在电子束光刻胶层上定义出非周期光栅器件结构；

(2)采用反应耦合等离子体刻蚀技术将步骤(1)中定义的非周期光栅结构器件转移到氮化物器件层中，转移过程中反应耦合等离子体刻蚀深度为400～500nm；

(3)在硅基氮化物晶片的氮化物器件层上表面和硅衬底层下表面旋涂一层电子束光刻胶，用以保护已加工器件，采用电子束曝光技术在硅衬底层下表面的电子束光刻胶层上打开一个刻蚀窗口；

(4)将氮化物器件层作为刻蚀阻挡层，采用深硅刻蚀技术，通过刻蚀窗口将硅衬底层贯穿刻蚀至氮化物器件层的下表面，在硅衬底层中形成一个空腔；

(5)采用反应耦合等离子体刻蚀技术，在氮化物器件层下表面向上刻蚀，将非周期光栅器件结构下方的氮化物材料刻穿，形成完全悬空的非周期光栅器件结构，然后采用氧气等离子灰化方法去除硅衬底层和氮化物器件层上的残余电子束刻胶，得到非周期高对比度光栅。

有益效果：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，这种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，并且这种光栅的工艺流程简单。

2、采用了背后减薄的技术，能够从背后减薄顶层三族氮化物的厚度，提高光栅的透光效率，大大提高了聚焦光栅的聚焦能力。

3、已有的技术方案只能实现在红外波段的聚焦能力，本发明实现了在可见光波段的聚焦光栅，运用场景更为丰富，可与现有的可将光通信技术相结合。

4、利用高对比度光栅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，可被广泛用于制作抗反射元件、偏正器件、窄带滤波器等。

5、利用高对比度光栅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。

附图说明

图1为非周期高对比度光栅的示意图；

图2为非周期高对比度光栅扫面电镜图；

图3为非周期高对比度光栅制备工艺流程；

图4a为非周期高对比度光栅正面显微镜图；

图4b为非周期高对比度光栅背面显微镜图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明的非周期高对比度光栅结构，以硅基氮化物晶片为载体，包括硅衬底层1和设置在硅衬底层1上方的氮化物器件层2。氮化物器件层2中设置有非周期光栅器件结构，光栅条和光栅条之间以空气做为间隙，利用氮化物和空气具有较大的折射率差，可以对光场起到很强的限制作用，从而能够形成聚焦的效果。

氮化物的厚度影响光栅的透光效率，因此非周期光栅器件结构下方设置有贯穿硅衬底层1的空腔，利用深硅刻蚀技术，去除了氮化物器件层2下方的硅衬底层1，解决硅衬底层1和氮化物器件层2的剥离问题。且空腔上表面和非周期光栅器件结构下表面齐平，利用氮化物材料反应耦合等离子体刻蚀技术从背后减薄氮化物器件层2，去除了多余的氮化物，使非周期光栅器件结构完全悬空，这样就获得超薄悬空的高对比度光栅，从而提高光栅的透光效率，提升聚焦效果。

非周期光栅器件结构为矩形，具有不同的周期和占空比，且光栅的相位分布满足相位匹配方程：

其中矩形的短边定义为x轴，矩形的长边定义为y轴，式中f为xy平面上的焦距，λ为入射光的波长，φ_max为所述非周期光栅器件结构最边缘的光栅条的相位，k₀定义为自由空间的波矢常量，φ(x)为非周期光栅器件结构的相位分布，x为每个光栅条中心所对应的横坐标。

本发明的制备上述高对比度光栅的方法，如图3所示，包括如下具体步骤：

(1)在硅基氮化物晶片的氮化物器件层2上表面旋涂一层电子束光刻胶，采用电子束曝光技术在电子束光刻胶层上定义出非周期光栅器件结构；

(2)采用反应耦合等离子体刻蚀技术将步骤1中定义的非周期光栅结构器件转移到氮化物器件层2中，转移过程中反应耦合等离子体刻蚀深度为400～500nm；

(3)在硅基氮化物晶片的氮化物器件层2上表面和硅衬底层1下表面旋涂一层电子束光刻胶，用以保护已加工器件，采用电子束曝光技术在硅衬底层1下表面的电子束光刻胶层上打开一个刻蚀窗口；

(4)将氮化物器件层2作为刻蚀阻挡层，采用深硅刻蚀技术，通过刻蚀窗口将硅衬底层1贯穿刻蚀至氮化物器件层2的下表面，在硅衬底层1中形成一个空腔；

(5)采用反应耦合等离子体刻蚀技术，在氮化物器件层2下表面向上刻蚀，将非周期光栅器件结构下方的氮化物材料刻穿，形成完全悬空的非周期光栅器件结构，然后采用氧气等离子灰化方法去除硅衬底层1和氮化物器件层2上的残余电子束刻胶，得到非周期高对比度光栅。

Claims (2)

1.一种非周期高对比度光栅，其特征在于，该光栅以硅基氮化物晶片为载体，包括硅衬底层(1)和设置在所述硅衬底层(1)上方的氮化物器件层(2)，所述氮化物器件层(2)中设置有非周期光栅器件结构，所述非周期光栅器件结构下方设置有贯穿硅衬底层(1)的空腔，使非周期光栅器件结构完全悬空；

所述非周期光栅器件结构为矩形，具有不同的周期与占空比，光栅条和光栅条之间以空气做为间隙，光栅的相位分布满足相位匹配方程：

$\mathrm{\φ}\left(x\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(f+\frac{{\mathrm{\φ}}_{max}}{2\mathrm{\π}}\mathrm{\λ}-\sqrt{x^2+f^2}),$

其中矩形的短边定义为x轴，矩形的长边定义为y轴，f为xy平面上的焦距，λ为入射光的波长，φ_max为所述非周期光栅器件结构最边缘的光栅条的相位，k₀定义为自由空间的波矢常量，φ(x)为非周期光栅器件结构的相位分布。

2.根据权利要求1所述的非周期高对比度光栅，其特征在于，所述非周期光栅器件结构的透射聚焦波长在可见光波段。