CN113376870B - 一种基于相变材料的空间光型电光调制器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于相变材料的空间光型电光调制器件及其制造方法，该器件由衬底、下电极层、相变层、上电极层和覆盖层多层复合结构构成，其中上下电极层分别包含规则排列的N位和M位金属微纳光栅，作为器件的电极和光场调控单元。通过控制上下电极偏压，使相变材料形成不同晶化程度的相变区域，导致光学介电常数发生显著改变，从而对器件的反射光与共振吸收峰进行动态电致调制。本发明的器件可实现具有N×M面阵单元的空间光调制，工作频段位于3~10微米的中红外波段。相变材料在非晶态时，器件能够实现接近100%的完美吸收；非晶态‑晶态之间转变时，实现约80%的调制深度。不仅仅可以实现完美吸收峰的动态调控，而且还能够对空间入射光具有动态幅度调控。

Description

一种基于相变材料的空间光型电光调制器件及其制造方法

技术领域

本发明涉及电光调制器技术领域，尤其涉及一种基于相变材料的空间光型电光调制器件及其制造方法。

背景技术

非易失性相变材料是一类至少存在非晶态和晶态两种晶相的新型可调材料，通过温度诱导、压力诱导、电压诱导和激光脉冲诱导等方式可以实现非晶态和晶态之间晶相的动态调控，改变其力、热、电、光等方面的物理特性。由于相变材料非晶态和晶态的原子排列方式、电子结构存在着显著性差异，导致光学性能（介电常数）和电学性能（电导率）有着极大的差异。对于石墨烯、透明导电氧化物和铌酸锂等材料，亦可以通过载流子浓度变化、温度变化、外加电场变化等方式改变介电常数，并实现光学调控，但其介电常数的变化幅度远比相变材料小。因此，相变材料正逐渐被应用于光子相变存储器、相变超表面、相变超材料和相变光学显示等领域。

Ge2Sb2Te5 (GST)作为最常见且应用最广泛的相变材料，相比于VO2等相变材料，具有非易失的优点，能够稳定保持相变后晶态或非晶态，不需要能量维持材料的状态。随着材料晶格排布特征的改变，其电学特性电导率与光学特性介电常数也发生巨大变化，因此可以作为各类光调制器件的可调材料层。大量的研究工作报道了基于相变材料GST的硅基波导型或空间光型电光调制器。H. Zhang等在Science Bulletin第64卷782页采用控制GST状态的方式来调节硅波导光传输实现硅基波导型调制器。将GST与金属微纳结构相结合的器件，能够动态调控超表面的光学响应。2013年，B. Gholipour等在Advanced Materials第25卷3050页提出将GST与具有Fano共振的金开环谐振器阵列相结合，采用激光脉冲对GST进行相变转换实现良好的调制性能。传统超材料吸收器严重依赖结构设计，制备的器件只能吸收特定波段内的电磁波，但将相变材料GST作为吸收器介质层，通过不同相态介电常数的变化，便可实现可重构的完美吸收器。Y. Chen等在Photonics Research第3卷54页通过调控相变材料的不同晶化比例，实现调谐范围为650 nm的等离子体完美吸收器。此外，相变材料也可应用于手性超表面，X. Yin等在Nano letters第15卷4255页实现圆二色性响应的动态调控，透射光谱的 CD 光谱随相变材料相态变化而大幅度变化。相变材料除了应用于超表面幅度调控，还能够应用于相位调控，以提高对光束波前的灵活调控。根据这种器件设计理念，S. Abdollahramezani等在Nano letters第21卷1238页采用不同半径大小的硅纳米盘结构，相变材料非晶态与晶态相互转换可以获得入射光相位可调性大于230°。电压和激光能够局域调控相变，P. Hossein等在Nature 第511卷206页首次设计了一种光电彩色显示框架，采用原子力显微镜的针尖作为器件的纳米电极，通过针尖对每个像素点施加电压产生相变来构建图案，实现高分辨相变显示器。根据之前的文献报道，通常使用稳态加热、光脉冲、电压脉冲三种方式诱发材料相变，但加热后却难以在低于晶化时间内完成快速淬火过程。激光脉冲和电压脉冲诱导方式可以快速、稳定、可逆相变，同时可以精确控制器件局部相变位置。针对器件存在多个局部相变需求时，激光脉冲控制并不便捷。此外，激光脉冲要求相变材料的相变区尺寸较小，这无法满足大面阵空间光学调制器的设计需求。目前大多数光学相变调制器件所采用温度和激光脉冲诱导相变方式并不实用化，在器件实际工作时仍存在诸多限制的问题。

例如，一种在中国专利文献上公开的“一种电光调制器、电光调制器的调制方法及制备方法”，其公告号CN110161724A，包括衬底层；夹层结构层，位于所述衬底层上，所述夹层结构层自下而上依次包括第一石墨烯层、硅层和第二石墨烯层；包层，位于所述夹层结构层上；纳米线，内嵌于所述包层，且所述纳米线与所述夹层结构之间有间隙。但是上述方案通过采用石墨烯材料通过载流子浓度变化、温度变化、外加电场变化等方式改变介电常数以实现光学调控，但存在介电常数的变化幅度远比相变材料小的问题。

发明内容

本发明是为了克服现有技术的光调制器件控制不便捷、部分相变方式不实用化，工作场所限制性高的问题，提供一种通过电极电压变化能够快速、动态、单独且精准调控实现空间光幅度和完美吸收峰的基于相变材料的空间型电光调制器件极其制造方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于相变材料的空间光型电光调制器件，其特征在于，包括衬底以及自下而上依次设置在衬底上的下电极层、相变层、上电极层和覆盖层。其中上电极层和下电极层作为器件的电极和光场调控单元。通过控制上下电极偏压，使相变材料形成不同晶化程度的相变区域，导致光学介电常数发生显著改变，从而对器件的反射光与共振吸收峰进行动态电致调制。

作为优选，所述上电极层为包括规则排列的N位金属微纳光栅结构的顶金属光栅层。金属光栅结构可以增强红外光与相变材料的相互作用，实现上下金属光栅层中间区域的电磁增强，增加器件对空间光的吸收能力。

作为优选，所述下电极层为包括规则排列的M位金属微纳光栅结构的底金属光栅层。底金属光栅层厚度须大于红外光的趋肤深度，使在红外波长下反射率为零。材料可选用金、银、铂、钨、铝、铜、氧化铟锡和氮化钛中任一种。

作为优选，所述底金属光栅层厚度为100 nm-200 nm，由规则排列的宽度为200nm-400 nm的光栅构成，所述顶金属光栅层厚度为100 nm-200 nm，宽度为300 nm-460 nm。周期均为500 nm-1500 nm。中间相变层的厚度与金属光栅层的厚度对器件完美吸收共振具有重要的作用，优化相变层、金属光栅层和覆盖层结构参数可以获得高调制深度。

作为优选，所述相变层选用Ge2Sb2Te5、Ge3Sb2Te6、GeTe、Sb2Te3中的一种。厚度为50 nm-200 nm。相变层须具备至少两种晶相，不同相态能够相互转换，实现光学介电常数的主动调谐。

作为优选，所述覆盖层采用六方氮化硼、氮化硅和二氧化硅中任一种。厚度为100nm-200 nm。覆盖层用于器件保护，有效防止相变层氧化和挥发，能够明显增强调制深度。

作为优选，所述底金属光栅和顶金属光栅形成分立电极。并实现对空间入射光的限域增强，促进光与相变层的相互作用，增加器件对空间光的吸收能力。

作为优选，所述器件通过对N位分立电极施加不同电压，能够单独控制单个电极交叉处相变材料的晶化比例，实现交叉处光幅度的单独调制，从而实现N×N面阵单元的空间光调制。

作为优选，所述器件能够通过电压脉冲激励相变材料相变，改变电压大小能够实现不同晶化比例的相变区域，使得介电常数显著性变化，实现反射光幅度的动态调控。

一种基于相变材料的空间光型电光调制器件的制作方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤S1：在衬底上旋涂电子束光刻胶，利用电子束曝光在光刻胶上图案化并显影；

步骤S2：通过反应离子刻蚀在衬底上刻蚀出凹槽；

步骤S3：金属光栅材料通过电子束蒸发、热蒸发或磁控溅射之一沉积在衬底的凹槽中，经过剥离过程制备出底部电极层；

步骤S4：通过磁控溅射、微机械剥离法、物理气相沉积法和化学气相沉积法之一制备出相变层；

步骤S5：通过电子束蒸发、磁控溅射、微机械剥离法、水热合成法和化学气相沉积法之一制备出覆盖层；

步骤S6：在相变层上旋涂电子束光刻胶，再次利用电子束曝光在光刻胶上图案化并显影；

步骤S7：通过反应离子刻蚀出凹槽，再次沉积金属光栅材料，经过剥离过程制备出顶光栅层；

因此，本发明具有如下有益效果：(1) 本发明所述的电光调制器件，由金属光栅层/GST/覆盖层/金属光栅层三层复合结构组成, 在3-10微米中红外波段范围时，本发明具备近完美吸收的性能。(2) 本发明能够通过电压调节引起非易失性相变材料不同相变程度的区域和光学介电常数变化，不仅仅可以实现完美吸收峰的动态调控，而且还能够对空间入射光具有动态幅度调控。（3）本发明所设计的器件具有非易失性、主动调谐性、稳定性好和制作工艺简单等优点。

附图说明

图1是本发明一实施例电光调制器件的结构单元剖面图。

图2是本发明一实施例电光调制器件的结构单元俯视图。

图3是本发明一实施例电光调制器件的相变示意图。

图4是本发明一实施例电光调制器件的制作流程图。

图5是本发明一实施例电光调制器件不同晶化比例在中红外波长范围内的反射光谱图。

图6是本发明一实施例电光调制器件晶态和非晶态中红外波长范围内的吸收光谱图。

图7是本发明一实施例电光调制器件单个分立电极处相变区域不同晶化的调制深度对比图。

图8是本发明一实施例电光调制器件采用不同覆盖层和无覆盖层的调制深度对比图。

图9是本发明一实施例电光调制器件采用不同宽度分立电极和铂薄膜的调制深度对比图。

图中：1、衬底 2、底金属光栅层 3、非晶态相变层 4、覆盖层 5、顶金属光栅层 6、晶态相变层。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

实施例：

如图1~9所示的一种基于相变材料电光调制器件及其制造方法：

如图1所示，为基于相变材料电光调制器件的结构单元剖面图，其剖面结构自下至上依次为衬底1、底金属光栅层2、非晶态相变层3和覆盖层4，平面波A垂直入射到器件中。

如图2所示，为基于相变材料电光调制器件的结构单元俯视图，顶金属光栅层5与底金属光栅层2周期不同，在本发明一个实施例中，顶金属光栅层5周期为1000 nm，作为顶部电极。底金属光栅层2周期为500 nm的双光栅结构，作为底部分立电极。

如图3所示，为基于相变材料电光调制器件的相变示意图，非晶态相变层3为非晶态GST，晶态相变层6为晶态GST。完全晶化时，电极交叉位置处GST是长方体结构。考虑到器件实际相变后，相变区域内并不是完全晶态，存在一部分为非晶态GST，另一部分为晶态GST。部分晶化时，电极交叉位置处的晶态相变层6为半椭圆体结构。

进一步地，可通过有限时域差分法或有限元法对器件结构进行设计与仿真，对器件的结构参数合理优化有助于提高器件的调制深度。在本发明一个实施例中，衬底1采用的是折射率为1.35的二氟化镁，衬底足够厚。底金属光栅层2和顶金属光栅层5采用的是铂，材料参数是基于Lorentz-Drude模型，厚度为100 nm和110 nm。相变层采用的是非晶态和晶态GST，厚度为100 nm。覆盖层采用的是六方氮化硼，材料参数是基于Lorentz-Drude模型，厚度为110 nm。

如图4所示，为基于相变材料电光调制器件的具体制作步骤如下：

步骤S1：衬底上旋涂SU-8，通过电子束曝光图案化并显影；

步骤S2：反应离子刻蚀在衬底上刻蚀出凹槽；

步骤S3：电子束蒸发沉积金属铂，经过剥离工艺形成底部铂光栅层；

步骤S4：磁控溅射沉积Ge2Sb2Te5；

步骤S6：磁控溅射沉积六方氮化硼；

步骤S7：在六方氮化硼上旋涂SU-8，通过电子束曝光再次图案化并显影；

步骤S8：反应离子刻蚀在六方氮化硼上刻蚀出凹槽；

步骤S9：电子束蒸发沉积金属铂，经过剥离工艺形成顶部铂光栅层；

如图5所示，结构尺寸优化后实现阻抗匹配，增强器件内部局部电场产生共振低谷。通过电极电压变化调节GST的晶化比例影响相变层的有效介电常数，使其能够主动调谐共振波长红移或蓝移。完全非晶态时，在波长为5.58微米处，反射率几乎为0，在波长为7.75微米处，反射率仅为0.013。器件的晶化程度从非晶态、12.47%晶态、24.94%晶态、49.87%晶态变化至100%晶态，共振低谷随着晶化比例增加发生红移，反射率也出现一定程度增加，导致最大调制深度的降低。6.5-8微米波长范围内的多个反射峰由六方氮化硼介电常数突变引起，根据这种材料特性，覆盖层和相变层的整体有效介电常数会随波长动态变化，导致7.75微米处的反射低谷的产生。晶化比例小幅度变化引起的介电常数变化相比于六方氮化硼的介电常数尖峰较小，所能引起整体有效介电常数的变化幅度较小，7.75微米附近共振波长的位置和反射率轻微变化。完全晶态时，晶化程度变化较大，整体有效介电常数变化幅度较大，共振波长发生明显偏移，反射率明显增加。

如图6所示，相变材料的电光调制器件采用的是金属光栅-相变材料-金属光栅的结构，顶层Pt光栅边缘能够产生局部表面等离子体共振，磁场被约束在中间相变层中，产生磁等离激元共振。在3-10微米的波长范围内，相变材料处于非晶态时，消光系数k几乎为0，相当于介质，透射率几乎为0，吸收率的公式可简化为A(ω) ≈1-R(ω)。在波长为5.58微米处，吸收率为99.2%，在波长为7.75微米处，吸收率为98.3%。相变材料处于晶态时,GST折射率的实部和虚部同时增大，吸收峰红移且吸收率下降。在波长为6.49微米处，吸收率为61.5%，在波长为8.08微米处，吸收率为88%。

如图7所示，单个分立电极交叉位置处相变区域的晶化比例变化，能够单独实现交叉位置的空间光调制。对比相变层为完全非晶态时，调制深度随着晶化比例的增加而增加，在单个交叉位置处相变区域为完全晶态时，调制深度达到最大值63.8%。由于相变区域减少，晶化比例较低导致调制深度较低，并且单个交叉位置的调制深度要小于整个器件。

如图8所示，六方氮化硼、氮化硅和二氧化硅三种不同的覆盖层均能实现高调制深度。六方氮化硼覆盖层的器件在波长为5.57微米处，最大调制深度为78.4%。氮化硅覆盖层的器件在波长为5.67微米处，最大调制深度为76%。二氧化硅覆盖层的器件在波长为5.7微米处，最大调制深度为78.9%。无覆盖层的器件在5.52微米处，最大调制深度为79.3%。对比无覆盖层的器件，覆盖层的存在对调制深度的影响很小，但可以有效防止相变所需的高温引发GST的挥发和氧化。

如图9所示，采用铂薄膜的电光调制器件的最大调制深度是83.2%，采用不同宽度和数量的底部电极能够达到类似效果。两个宽度为400 nm的分立电极，最大调制深度为78.4%，三个宽度为200 nm的分立电极和两个宽度为300 nm的分立电极，最大调制深度分别为71.1%和71.3%。调制深度存在差异，主要是因为铂薄膜器件的相变区域大于分立电极，有效介电常数的变化幅度更大。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了相变层, 金属光栅、覆盖层、机械剥离法等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (8)

1.一种基于相变材料的空间光型电光调制器件，其特征在于，包括衬底以及自下而上依次设置在衬底上的下电极层、相变层、上电极层和覆盖层，所述相变层选用Ge2Sb2Te5、Ge3Sb2Te6、GeTe、Sb2Te3中的一种，相变层须具备至少两种晶相，所述上电极层为N位金属微纳光栅结构的顶金属光栅层；所述下电极层为M位金属微纳光栅结构的底金属光栅层，所述器件通过对N位顶部和M位底部分立电极施加不同电压；单位底金属光栅层厚度为100nm-200 nm，由规则排列的宽度为200 nm-400 nm的光栅构成，单位顶金属光栅层厚度为100nm-200 nm，宽度为300 nm-460 nm。

2.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的空间光型电光调制器件，其特征在于，所述顶金属光栅层为规则排列的金属微纳光栅结构。

3.根据权利要求2所述的一种基于相变材料的空间光型电光调制器件，其特征在于，包括底金属光栅层为规则排列的金属微纳光栅结构。

4.根据权利要求3所述的一种基于相变材料的空间光型电光调制器件，其特征在于，所述覆盖层采用六方氮化硼、氮化硅和二氧化硅中任一种。

5.根据权利要求2所述的一种基于相变材料的空间光型电光调制器件，其特征在于，所述底金属光栅和顶金属光栅形成分立电极。

6.根据权利要求5所述的一种基于相变材料的空间光型电光调制器件，其特征在于，能够单独控制单个电极交叉处相变材料的晶化比例，实现交叉处光幅度的单独调制，从而实现N×M面阵单元的空间光调制。

7.根据权利要求1-6任一条权利要求所述的一种基于相变材料的空间光型电光调制器件，其特征在于，所述器件能够通过电压脉冲激励相变材料相变，改变电压大小能够实现不同晶化比例的相变区域，使得介电常数显著性变化，实现反射光幅度的动态调控。

8.一种基于相变材料的空间光型电光调制器件的制造方法，应用于权利要求1-7任一项所述的器件，其特征是，包括如下步骤：

步骤1：在衬底上旋涂电子束光刻胶，利用电子束曝光在光刻胶上图案化并显影；

步骤2：通过反应离子刻蚀在衬底上刻蚀出凹槽；

步骤3：金属光栅材料通过电子束蒸发、热蒸发或磁控溅射之一沉积在衬底的凹槽中，经过剥离过程制备出底部电极层；

步骤4：通过磁控溅射、微机械剥离法、物理气相沉积法和化学气相沉积法之一制备相变层；

步骤5：通过电子束蒸发、磁控溅射、微机械剥离法、水热合成法和化学气相沉积法之一制备覆盖层；

步骤6：在相变层上旋涂电子束光刻胶，再次利用电子束曝光在光刻胶上图案化并显影；

步骤7：通过反应离子刻蚀出凹槽，再次沉积金属光栅材料，经过剥离过程制备出顶光栅层。