CN110673241B - 一种基于表面等离激元与腔体共振模式耦合的滤色片结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于表面等离激元与腔体共振模式耦合的滤色片结构，包括半导体衬底、多层介质薄膜以及顶层的金属光栅结构；多层介质薄膜中上三层支持的腔体共振模式与金属光栅支持的表面等离激元传输模式之间发生耦合，在将光能量局域在金属/介质界面的同时，通过模式耦合将光能量传导进腔体中，并由腔体共振模式实现特定频率下的光透射增强以及透射光谱半高峰宽的减小；底层介质薄膜选用高折射率材料，起到减反以及保护半导体衬底的作用。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明滤色片制备方法简单，制备工艺成熟，并且可以通过固定金属光栅狭缝宽度以及其它结构参数，改变光栅周期实现透射光谱的连续调节。

Description

一种基于表面等离激元与腔体共振模式耦合的滤色片结构

技术领域

本发明属于滤色片技术领域，尤其涉及一种基于表面等离激元与腔体共振模式耦合的滤色片结构。

背景技术

传统像素中的滤色片主要由有机染料分子制成，但由于染料分子对光的吸收率较低，导致这种滤色片不能做的很薄，限制了像素的高密度集成，同时，染料型滤色片不能在高温下工作，并且不能长时间暴露在紫外辐射下，随着纳米加工技术的发展，表面等离激元效应成为解决这一问题的重要途径。

基于表面等离激元效应的滤色片结构在尺寸可调性、集成度、稳定性等方面均优于染料型滤色片，但是，由于目前应用于表面等离激元结构的材料仍以贵金属为主，入射光在金属中传播易形成较大的吸收损耗，因此，基于表面等离激元效应的滤色片结构分光存在透射光谱半高峰宽较宽，光透射率较低的问题，而且现阶段尚未实现真正意义上滤色片与光电探测器阵列的完美集成。

目前，国外已有相关研究小组通过在滤色片和光电探测器之间镀上一层低折射率薄膜从而实现滤色片与光电探测器的集成，但是，这种低折射率薄膜的厚度一般在微米量级，不利于实际的生产与应用。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种基于表面等离激元与腔体共振模式耦合的滤色片结构，利用表面等离激元传输模式与腔体共振模式的耦合作用，在实现滤光的同时，提高光的透射以及实现较窄的透射光谱半高峰宽。

为了达到以上目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于表面等离激元与腔体共振模式耦合的滤色片结构，包括半导体衬底、第一介质层、第二介质层、第三介质层和第四介质层以及顶层的金属光栅结构；半导体衬底材料的禁带宽度小于400~900nm波段的光子能量，因此可以吸收透射光能量，产生电子空穴对。

金属光栅结构在400~900nm波段通过调节结构尺寸可以激发金属/介质界面的表面等离激元传输模式，将光能量局域在金属/介质表面，由于泄露模式的存在，表面等离激元传输模式可以匹配成与入射光同频同动量的平面电磁波并向下传播，当平面电磁波进入由介质层构成的腔体后，激发腔体共振模式，可以实现特定频率的光透过，并增大光的透射以及获得极窄的透射光谱半高峰宽，底层介质为高折射率材料，折射率介于半导体衬底与上层介质之间，可以作为减反膜以及半导体衬底的保护膜，而不会对表面等离激元传输模式与腔体共振模式的耦合造成影响，通过固定金属光栅狭缝宽度以及其它结构参数，改变光栅周期可以实现透射光谱的连续调节。衬底采用对400~900nm波段响应的半导体材料，通过滤色片与半导体衬底的集成为传统滤色片与光电探测器阵列的集成难题提供解决思路，并在高光谱成像领域具有重要的应用前景。

优选的，为了减少400~900nm波段金属对光的吸收，实现较窄的半高峰宽，金属光栅的材料为银或铝，厚度在40~60nm之间。

优选的，为了在可见光波段金属/介质界面形成有效的表面等离激元传输模式，第四介质层材料为二氧化硅，厚度为50nm；为了在光学腔体中形成有效的腔体共振模式，第二介质层材料为二氧化硅，厚度为260nm，第三介质层折射率高于第二介质层与第四介质层，材料为氮化硅，厚度为100nm。

优选的，为了形成有效的减反膜以及对半导体衬底起到保护作用，第一介质层的折射率介于第二介质层与半导体衬底之间，材料为氮化硅，厚度为60nm。

一般来说，半导体层的可选材料多样，在400~900nm波段，所选用材料禁带宽度要小于入射光的光子能量，因此半导体衬底材料可选为硅、锗、砷化镓、砷化铟或磷化铟。

一种基于表面等离激元传输模式与腔体共振模式耦合的滤色片结构，其特征在于：制备方法为：

a）在半导体衬底上表面，利用薄膜沉积工艺，如等离子体增强的化学气相沉积工艺制备介质层；

b）重复步骤a），制备介质层第二介质层、第三介质层和第四介质层，构造光学腔体；

c）利用薄膜沉积工艺，如磁控溅射或热蒸发镀膜方法制备金属薄膜，并利用精细的微纳加工工艺，如聚焦离子束刻蚀工艺或电子束曝光以及后续的溶脱剥离工艺加工精细的金属光栅结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、利用表面等离激元传输模式与腔体共振模式耦合，既可以实现特定频率下光的透射增强，也可以获得极窄的透射光谱半高峰宽，仅通过调节顶层金属光栅的结构参数可以实现透射光谱的连续可调，增强了结构的实用性；

2、整体结构制备方法简单，制备工艺成熟，易于实现对图案形状的操控。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的制备方法流程图。

图3是本发明的工作原理图。

图4是本发明实施例1的结构示意图。

图5是本发明实施例2的结构示意图。

附图标记列表：

1-半导体衬底，2-第一介质层，3-第二介质层，4-第三介质层，5-第四介质层，6-金属光栅，7-光学腔体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示，一种基于表面等离激元与腔体共振模式耦合的滤色片结构，包括半导体衬底1、第一介质层2、第二介质层3、第三介质层4、第四介质层5和金属光栅6，半导体衬底1材料禁带宽度小于400~900nm波段入射光光子能量；第二介质层3、第三介质层4、第四介质层5构成光学腔体7；在400~900nm波段，通过调节金属光栅6结构尺寸可以激发第四介质层5和金属光栅6界面处的表面等离激元传输模式，利用表面等离激元传输模式与光学腔体7共振模式耦合，实现特定频率下光的透射增强以及获得较窄的透射光谱半高峰宽，通过固定金属光栅6狭缝宽度以及其它结构参数，改变光栅周期可以实现400~900nm波段透射光谱的连续可调。

具体的，半导体衬底1的材料为硅、锗、砷化镓、砷化铟或磷化铟；第一介质层2、第二介质层3、第三介质层4、第四介质层5的材料分别为氮化硅、二氧化硅、氮化硅和二氧化硅，厚度分别为60nm、260nm、100nm和50nm；金属光栅6的材料为银或铝，厚度为40~60nm。

如图2所示一种基于表面等离激元与腔体共振模式耦合的滤色片结构，制备方法为：

a）在半导体衬底上1表面，利用薄膜沉积工艺，如等离子体增强的化学气相沉积工艺制备第一介质层2；

b）重复步骤a），制备第二介质层3、第三介质层4、第四介质层5，构造光学腔体；

c）利用薄膜沉积工艺，如磁控溅射或热蒸发镀膜方法制备金属薄膜，并利用微纳加工工艺，如聚焦离子束刻蚀工艺或电子束曝光以及后续的溶脱剥离工艺加工精细的金属光栅6结构。

如图3所示，一种基于表面等离激元与腔体共振模式耦合的滤色片结构的工作原理为：入射光照射到结构表面时，在400~900nm波段可以通过调节金属光栅6的结构尺寸使其周期满足与入射光波矢的匹配条件，从而激发出第四介质层5界面的表面等离激元模式，将入射光能量局域在第四介质层5表面，由于泄露模式的存在，表面等离激元传输模式可以匹配成与入射光同频同动量的平面电磁波并向下传播，当平面电磁波进入由三层介质层构成的腔体后，在中间介质层内激发腔体共振模式，从而实现特定频率的光透过，并增大光的透射率以及获得极窄的透射光谱的半高峰宽，底层介质为高折射率材料，折射率在半导体衬底与上层介质之间，可以作为减反膜以及半导体衬底的保护膜，而不会对表面等离激元传输模式与腔体共振模式的耦合造成影响，通过固定金属光栅6狭缝宽度以及其它结构参数，改变光栅周期可以实现透射光谱的连续调节，半导体衬底1采用对400~900nm波段响应的半导体材料，通过滤色片与半导体衬底的集成为传统滤色片与光电探测器阵列的集成难题提供解决思路，并在高光谱成像领域具有重要的应用前景。

实施例1

如图4所示，为实现一种应用于可见光波段分光的硅基滤色片结构，其结构包括硅半导体衬底1、氮化硅层2、二氧化硅层3、氮化硅层4、二氧化硅层5以及银光栅层6；二氧化硅层3、氮化硅层4和二氧化硅层5构成光学腔体，利用等离子体增强的化学气相沉积方法制备各层介质薄膜，其中，氮化硅层2的厚度为60nm，二氧化硅层3的厚度为260nm，氮化硅层4的厚度为100nm，二氧化硅层5的厚度为50nm，随后，先利用热蒸发镀膜方法蒸镀40~60nm厚的银膜，然后再利用聚焦离子束刻蚀工艺或电子束曝光以及后续的溶脱剥离工艺制备精细的银光栅7结构。

固定银光栅7狭缝宽度为50nm，当入射光照射到银光栅7上时，在金属/介质界面处激发表面等离激元传输模式，与介质层腔体支持的腔体共振模式发生耦合，实现特定频率下的光透过，并增大光的透射以及减小透射光谱的半高峰宽，改变光栅周期为250~450nm时，可实现可见光波段的连续窄带分光，最终底层半导体衬底吸收透射光能量，形成电子空穴对。

实施例2

如图4所示，为实现一种应用于800~900nm波段的硅基滤色片结构，其结构包括硅衬底1、氮化硅层2、二氧化硅层3、氮化硅层4、二氧化硅层5以及银光栅,6，二氧化硅层3、氮化硅层4和二氧化硅层5构成光学腔体，利用等离子体增强的化学气相沉积方法制备各层介质薄膜，其中，氮化硅层2的厚度为60nm，二氧化硅层3的厚度为260nm，氮化硅层4的厚度为100nm，二氧化硅层5的厚度为50nm，随后，先利用热蒸发镀膜方法蒸镀40~60nm厚的银膜，然后再利用聚焦离子束刻蚀工艺或电子束曝光以及后续的溶脱剥离工艺制备精细的银光栅6结构。

固定银光栅6狭缝宽度为50nm，当入射光照射到银光栅6上时，在金属/介质界面处激发表面等离激元模式，与介质腔体支持的腔体共振模式发生耦合，实现特定频率下的光透过，并增大光的透射以及减小透射光谱的半高峰宽，改变银光栅6周期为500~600nm时，可实现近红外800~900nm的连续窄带分光，最终底层半导体衬底吸收透射光能量，形成电子空穴对。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于表面等离激元与腔体共振模式耦合的滤色片结构，包括半导体衬底（1）、第一介质层（2）、第二介质层（3）、第三介质层（4）、第四介质层（5）和金属光栅（6），其特征在于：第二介质层（3）、第三介质层（4）和第四介质层（5）构成光学腔体（7），第三介质层（4）的折射率高于第二介质层（3）和第四介质层（5）；半导体衬底（1）材料的禁带宽度小于400~900nm波段的光子能量；第二介质层（3）的折射率小于第一介质层（2）的折射率小于半导体衬底（1）的折射率；金属光栅（6）结构在400~900nm波段通过调节结构尺寸激发第四介质层（5）和金属光栅（6）界面处的表面等离激元传输模式。

2.根据权利要求1的一种基于表面等离激元与腔体共振模式耦合的滤色片结构，其特征在于：金属光栅（6）的材料为银或铝，厚度为40~60nm，光栅狭缝宽度为50~70nm；半导体衬底（1）的材料为硅、锗、砷化镓、砷化铟或磷化铟；第一介质层（2）、第二介质层（3）、第三介质层（4）和第四介质层（5）的材料分别为氮化硅、二氧化硅、氮化硅和二氧化硅，厚度分别为60nm、260nm、100nm和50nm。

3.根据权利要求1的一种基于表面等离激元与腔体共振模式耦合的滤色片结构，其特征在于：光学腔体（7）在400~900nm波段存在腔体共振模式，实现特定频率下光的透射增强以及透射光谱半高峰宽的减小；在400~900nm波段通过调节金属光栅（6）结构尺寸激发第四介质层（5）界面处的表面等离激元传输模式。

4.根据权利要求1-3任意一项的一种基于表面等离激元与腔体共振模式耦合的滤色片结构，其特征在于，制备方法为：

a）在半导体衬底（1）的上表面，通过薄膜沉积工艺，制备第一介质层（2）；

b）重复步骤a），依次制备介质层第二介质层（3）、第三介质层（4）和第四介质层（5），三层介质层构成光学腔体；

c）利用薄膜沉积工艺制备金属薄膜，再利用微纳加工工艺，以及后续的溶脱剥离工艺将金属薄膜加工成精细的金属光栅（6）结构。

5.根据权利要求4的一种基于表面等离激元与腔体共振模式耦合的滤色片结构，其特征在于：步骤a）中的薄膜沉积工艺为等离子体增强的化学气相沉积方法。

6.根据权利要求4的一种基于表面等离激元与腔体共振模式耦合的滤色片结构，其特征在于：步骤c）中的薄膜沉积工艺为磁控溅射或热蒸发镀膜方法。

7.根据权利要求4的一种基于表面等离激元与腔体共振模式耦合的滤色片结构，其特征在于：步骤c）中的微纳加工工艺为聚焦离子束刻蚀工艺或电子束曝光。

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