CN114552382B - 一种反射薄膜结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了反射薄膜结构及其制备方法，该反射薄膜结构包括：在基板上依次沉积的预设数量的反射薄膜单元；其中，每个反射薄膜单元至少包括：第一薄膜层和第二薄膜层，第一薄膜层和第二薄膜层均由相同的相变材料制成，第一薄膜层为相变材料的晶体态，第二薄膜层为相变材料的非晶体态，以使第一薄膜层的第一折射率和第二薄膜层的第二折射率不同。本实施例通过使用同种相变材料的沉积作为反射薄膜结构的基本层级，并改变其中一部分薄膜层级的晶相形态实现层级之间不同折射率的实现，在保证反射薄膜结构的反射效率的基础上，使反射薄膜结构在制备过程中工艺流程更简单，更适用于低成本大面积制备。

Description

一种反射薄膜结构及其制备方法
技术领域
本公开涉及光学及光电子器件领域，特别涉及一种反射薄膜结构及其制备方法。
背景技术
目前，高反射率薄膜在光学及光电子器件领域得到了广泛应用，例如在垂直腔面发射激光器(VCSEL，Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)中，使用分布式布拉格反射镜(DBR，Distributed Bragg Reflection)作为谐振腔一端的反射面。其中，DBR反射镜是由两种不同折射率的材料以A-B-A-B的方式交替排列组成的周期结构，当光从光疏介质n1射向光密介质n2时，反射光在界面处发生半波损失，对应的相位差为π。而光射向DBR结构时，每层材料的光学厚度为中心反射波长的1/4，相邻两层的反射光对应的相位差为π，因此，计算上述的半波损失，其相位差为2π。故反射光同相叠加，形成干涉增强，实现光反射效果。
但是实现DBR反射镜，需要两种不同折射率的材料的交叠沉积，同时厚度控制需要足够精细，才可以实现较好的光学效果。对于实际应用而言，两种材料界面也有一定的过渡区域，容易影响反射效果，并且两种折射率不同的材料的交叠沉积步骤过于繁琐，不利于大面积制备及应用。
发明内容
本公开实施例的目的在于提供一种反射薄膜结构及其制备方法，用以解决现有技术中DBR反射镜制作工艺复杂，不利于大面积制备应用的问题。
本公开的实施例采用如下技术方案：一种反射薄膜结构，包括：在基板上依次沉积的预设数量的反射薄膜单元；其中，每个所述反射薄膜单元至少包括：第一薄膜层和第二薄膜层，所述第一薄膜层和所述第二薄膜层均由相同的相变材料制成，所述第一薄膜层为所述相变材料的晶体态，所述第二薄膜层为所述相变材料的非晶体态，以使所述第一薄膜层的第一折射率和所述第二薄膜层的第二折射率不同。
在一些实施例中，所述第一折射率小于所述第二折射率。
在一些实施例中，所述第一薄膜层的第一厚度大于所述第二薄膜层的第二厚度。
在一些实施例中，所述预设数量为15至30之间的任意一个整数。
在一些实施例中，所述相变材料为碲化锗。
本公开实施例还提供了一种上述的反射薄膜结构的制备方法，包括：步骤1，在基板上沉积相变材料，形成第一反射薄膜单元的第一薄膜层；步骤2，在所述第一反射薄膜单元的第一薄膜层远离所述基板一侧的表面上设置掩膜板，并通过掩膜板在所述第一反射薄膜单元的第一薄膜层远离所述基板一侧的表面上沉积相变材料，以形成第一反射薄膜单元的第二薄膜层，其中，所述第一薄膜层的正投影完全覆盖所述第二薄膜层的正投影；步骤3，去除掩膜板，在所述第一反射薄膜单元的第二薄膜层远离所述基板一侧的表面上沉积相变材料，形成第二反射薄膜单元的第一薄膜层；步骤4，重复执行步骤2和步骤3直至所述反射薄膜单元的数量为预设数量；步骤5，在所有所述反射薄膜单元的第一薄膜层两侧制备金属电极；步骤6，在所述金属电极上施加脉冲电压，使所有所述反射薄膜单元的第一薄膜层的相变材料转变为晶体态；步骤7，撤除电场，并刻蚀掉所述金属电极以及每个所述反射薄膜单元的叠层薄膜，所述叠层薄膜为所述反射薄膜单元中第一薄膜层的正投影与所述第二薄膜层的正投影不重合的部分。
在一些实施例中，所有所述反射薄膜单元的第一薄膜层的第一厚度均相同，所有所述反射薄膜单元的第二薄膜层的第二厚度均相同。
在一些实施例中，所述金属电极为钼电极、铜电极或钛-铝-钛复合电极中的任意一种。
在一些实施例中，所述金属电极上施加脉冲电压为5V，脉冲宽度为980ns。
在一些实施例中，所述相变材料基于磁控溅射的方式进行沉积。
本公开实施例的有益效果在于：通过使用同种相变材料的沉积作为反射薄膜结构的基本层级，并改变其中一部分薄膜层级的晶相形态实现层级之间不同折射率的实现，在保证反射薄膜结构的反射效率的基础上，使反射薄膜结构在制备过程中工艺流程更简单，更适用于低成本大面积制备。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开第一实施例中反射薄膜结构的层级结构示意图；
图2为本公开第一实施例中反射薄膜结构的反射率仿真结果；
图3为本公开第二实施例中反薄膜结构的制备方法流程图；
图4为本公开第二实施例中第一薄膜层与第二薄膜层的正投影示意图；
图5为本公开第二实施例中制备方法的步骤4执行完毕后反薄膜结构层级结构示意图；
图6为本公开第二实施例中制备方法的步骤5执行完毕后反薄膜结构层级结构示意图。
具体实施方式
此处参考附图描述本公开的各种方案以及特征。
应理解的是，可以对此处申请的实施例做出各种修改。因此，上述说明书不应该视为限制，而仅是作为实施例的范例。本领域的技术人员将想到在本公开的范围和精神内的其他修改。
包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本公开的实施例，并且与上面给出的对本公开的大致描述以及下面给出的对实施例的详细描述一起用于解释本公开的原理。
通过下面参照附图对给定为非限制性实例的实施例的优选形式的描述，本公开的这些和其它特性将会变得显而易见。
还应当理解，尽管已经参照一些具体实例对本公开进行了描述，但本领域技术人员能够确定地实现本公开的很多其它等效形式，它们具有如权利要求的特征并因此都位于借此所限定的保护范围内。
当结合附图时，鉴于以下详细说明，本公开的上述和其他方面、特征和优势将变得更为显而易见。
此后参照附图描述本公开的具体实施例；然而，应当理解，所申请的实施例仅仅是本公开的实例，其可采用多种方式实施。熟知和/或重复的功能和结构并未详细描述以避免不必要或多余的细节使得本公开模糊不清。因此，本文所申请的具体的结构性和功能性细节并非意在限定，而是仅仅作为权利要求的基础和代表性基础用于教导本领域技术人员以实质上任意合适的详细结构多样地使用本公开。
本说明书可使用词组“在一种实施例中”、“在另一个实施例中”、“在又一实施例中”或“在其他实施例中”，其均可指代根据本公开的相同或不同实施例中的一个或多个。
目前，高反射率薄膜在光学及光电子器件领域得到了广泛应用，例如在VCSEL中，使用DBR反射镜作为谐振腔一端的反射面。其中，DBR反射镜是由两种不同折射率的材料以A-B-A-B的方式交替排列组成的周期结构，当光从光疏介质n1射向光密介质n2时，反射光在界面处发生半波损失，对应的相位差为π。而光射向DBR结构时，每层材料的光学厚度为中心反射波长的1/4，相邻两层的反射光对应的相位差为π，因此，计算上述的半波损失，其相位差为2π。故反射光同相叠加，形成干涉增强，实现光反射效果。
但是实现DBR反射镜，需要两种不同折射率的材料的交叠沉积，同时厚度控制需要足够精细，才可以实现较好的光学效果。对于实际应用而言，两种材料界面也有一定的过渡区域，容易影响反射效果，并且两种折射率不同的材料的交叠沉积步骤过于繁琐，不利于大面积制备及应用。
为了解决上述问题，本公开第一实施例提供了一种反射薄膜结构，该反射薄膜结构通过使用同种相变材料的沉积作为反射薄膜结构的基本层级，并改变其中一部分薄膜层级的晶相形态实现层级之间不同折射率的实现，在保证反射薄膜结构的反射效率的基础上，使反射薄膜结构在制备过程中工艺流程更简单，更适用于低成本大面积制备。
图1示出了本实施例反射薄膜结构的层级结构示意图。如图1所示，反射薄膜结构主要包括基板10和沉积在基板10上的预设数量的反射薄膜单元20。具体地，基板10可以为玻璃衬底或其他具有良好透光性能的刚性衬底，本实施例不进行限制，基板10厚度也可根据实际需求进行设置，一般可以为0.5毫米。反射薄膜单元20即为设置在基板10上具有高反射率的薄膜层级，其主要包括依次沉积的具有第一折射率的第一薄膜层21和具有第二折射率的第二薄膜层22，并且第一折射率和第二折射率不同，使反射薄膜单元20具有一层光疏介质和一层光密介质，实现光反射效果。在实际进行反射薄膜单元20制作时，其第一薄膜层21和第二薄膜层22均使用相同的相变材料沉积而成，而相变材料在不同晶相下具有不同的折射率，因此通过调整第一薄膜层21或第二薄膜层22的晶体状态即可实现第一薄膜层21和第二薄膜层22的不同的折射率性能。
在一些实施例中，可以限定第一薄膜层21为相变材料的晶体态，第二薄膜层22为相变材料的非晶体态，以实现利用同种相变材料同时实现光疏介质及光密介质的效果，并基于多个反射薄膜单元20的叠加，构造具有高反射率的DBR结构。
在实际制作时，可以使用碲化锗(GeTe)作为相变材料进行各个薄膜层的沉积制作。具体地，GeTe薄膜在常温状态下处于非晶体态，在其受到脉冲高压或高温作用下，可以从非晶态转变为晶体态，其折射率也相应发生显著改变。以波长为632纳米的红光为例，在常温下GeTe薄膜对红光的折射率为3.4左右，在300度以上的温度下即可转变为晶体态，此时折射率相应改变为2.2左右，因此使用GeTe薄膜可以同时实现光疏介质及光密介质，以构造高反射率DBR结构。
具体地，GeTe是一种窄带隙半导体，有两种晶型结构，分别为α-GeTe和β-GeTe，完全化学计量比的GeTe晶体的熔点为720℃，高温时(大于447℃)为β-GeTe晶相；低温时(低于400℃)为α-GeTe晶相；400℃～430℃范围为α-GeTe相与β-GeTe相转变区域。除了α-GeTe和β-GeTe晶型外，GeTe还存在非晶态，当GeTe从液态快速冷却或在低温沉积形成薄膜时，通常为非晶态。本实施例即利用了GeTe在非晶态与α-GeTe或β-GeTe相之间转换，同时光学折射率发生改变以构造DBR反射镜。
应当了解的是，脉冲高压或高温等手段为可以使GeTe薄膜发生相变特性转变的手段中的其中两种，其他可使GeTe薄膜发生相变特性转变的手段也应当在本实施例的保护范围以内。另外，使用GeTe作为本实施例的相变材料也仅为一种优选实施方式，在实际制作时也可使用其他具有相同相变特性的材料作为反射薄膜单元20的制作原料，本实施例不进行限制，只要保证其可以实现相同效果即可。
本实施例中限定第一薄膜层21为相变材料的晶体态，第二薄膜层22为相变材料的非晶体态，在其使用的相变材料为GeTe的情况下，第一薄膜层21对应的第一折射率则小于第二薄膜结构22的第二折射率，使第一薄膜层21作为光疏介质，第二薄膜层22作为光密介质存在。与此同时，根据反射薄膜结构所要反射的光线波长(中心波长)的不同，结合折射率的大小需要对应设置第一薄膜层21的第一厚度大于第二薄膜层22的第二厚度，以使每个薄膜层的光学厚度为中心波长的四分之一左右，以达到良好的光反射效果。具体地，以反射薄膜结构所要反射的光线为632纳米波长的红光为例，第一薄膜层21对应的第一折射率为2.2，第二薄膜层22对应的第二折射率为3.4，则将第一厚度对应设置为71.8纳米，第二厚度对应设置为46.4纳米即可。另外，图1中仅示出了反射薄膜结构之间的位置关系，图中所示的各个层级的厚度并不代表实际基板或薄膜层级之间的厚度关系或具体尺寸。
需要注意的是，图1中仅示出了两个反射薄膜单元20，而实际制作时，反射薄膜单元20的预设数量可以根据反射率的需求设置为15至30个，并且，反射薄膜结构整体的反射率与反射薄膜单元20的数量是呈正相关的，反射薄膜单元20沉积的数量越多，反射薄膜结构整体的反射率越高，在实际进行反射薄膜结构制作时可根据需求进行反射薄膜单元20数量的调整。
图2示出了使用Ansys的FDTD模块对本实施例所提出的反射薄膜结构进行建模仿真之后的反射率仿真结果，其中，反射薄膜单元的光密介质折射率为3.4，对应厚度为46.4纳米，光疏介质折射率为2.2，对应厚度为71.8纳米，设置对应的中心波长为632纳米，反射薄膜单元的重复数量为30个。基于图2所示的仿真结果可知，反射薄膜结构的反射率在中心波长附近的值超过了80％，验证了本实施例所提供的反射薄膜结构所具有的良好的光反射效果。在实际使用时，还可根据需求通过调整折射率和反射薄膜单元的数量实现反射率的值的进一步调整。
本实施例通过使用同种相变材料的沉积作为反射薄膜结构的基本层级，并改变其中一部分薄膜层级的晶相形态实现层级之间不同折射率的实现，在保证反射薄膜结构的反射效率的基础上，使反射薄膜结构在制备过程中工艺流程更简单，更适用于低成本大面积制备。
本公开的第二实施例提供了一种第一实施例中公开的反射薄膜结构的制备方法，其流程图如图3所示，主要包括如下步骤：
步骤1，在基板上沉积相变材料，形成第一反射薄膜单元的第一薄膜层；
步骤2，在第一反射薄膜单元的第一薄膜层远离基板一侧的表面上设置掩膜板，并通过掩膜板在第一反射薄膜单元的第一薄膜层远离基板一侧的表面上沉积相变材料，以形成第一反射薄膜单元的第二薄膜层，其中，第一薄膜层的正投影完全覆盖第二薄膜层的正投影；
步骤3，去除掩膜板，在第一反射薄膜单元的第二薄膜层远离基板一侧的表面上沉积相变材料，形成第二反射薄膜单元的第一薄膜层；
步骤4，重复执行步骤2和步骤3直至反射薄膜单元的数量为预设数量；
步骤5，在所有反射薄膜单元的第一薄膜层两侧制备金属电极；
步骤6，在金属电极上施加脉冲电压，使所有反射薄膜单元的第一薄膜层的相变材料转变为晶体态；
步骤7，撤除电场，并刻蚀掉金属电极以及每个反射薄膜单元的叠层薄膜，叠层薄膜为反射薄膜单元中第一薄膜层的正投影与第二薄膜层的正投影不重合的部分。
下面结合实例，对上述反射薄膜结构的制备方法的步骤进行详细说明。
本实施例制作的反射薄膜结构主要用于反射波长为632纳米的红光，其所使用的相变材料为GeTe，另外还需要预先根据待处理的中心波长和相变材料的折射率确定出具有不同折射率的薄膜层级的厚度，便于在沉积薄膜层级时达到理想沉积效果。
具体地，在步骤1执行之前，还可以包括对基板基于标准清洗工艺进行清洗的步骤，以保证基板表面清洁程度，便于进行相变材料沉积。另外，基板可以选用0.5毫米厚度的玻璃衬底。
相变材料的沉积可以通过磁控溅射的方式实现，当然也可以根据相变材料的不同使用其他沉积方式，本实施例不进行限制，只要能满足相变材料的制备效果即可。在基板表面沉积第一个反射薄膜单元的第一薄膜层时，将第一薄膜层的沉积厚度设置为71.8纳米，随后在进行第一个反射薄膜单元的第二薄膜层制备时，在已经制备好的第一薄膜层的表面使用掩膜板，并且该掩膜板的开口区域的尺寸小于第一薄膜层的表面尺寸，并通过相同的制备方式在第一薄膜层的表面沉积第二薄膜层，其厚度为46.4纳米，并且制备之后的第二薄膜层从俯视角度的正投影被相同角度下第一薄膜层的正投影完全覆盖，如图4所示，而二者正投影之间不重合的部分(即第一薄膜层超出第二薄膜层位置的部分)可以称为叠层薄膜(如图4中阴影部分所示)。
在第一个反射薄膜单元的第二薄膜层制备完毕后，去除掩膜板，以相同的方式在第一个反射薄膜单元的第二薄膜层上进一步制作第二个反射薄膜单元的第一薄膜层，并且保证第二个反射薄膜单元的第一薄膜层的沉积位置以及厚度均与第一个反射薄膜单元的第一薄膜层完全相同，即第二个反射薄膜单元的第一薄膜层的正投影与第一个反射薄膜单元的第一薄膜层的正投影完全重合。随后基于同一个掩膜板制作第二个反射薄膜单元的第二薄膜层，并且保证第二个反射薄膜单元的第二薄膜层的沉积位置以及厚度均与第一个反射薄膜单元的第二薄膜层完全相同。
一个第一薄膜层和一个第二薄膜层记为一个反射薄膜单元，在一个反射薄膜结构的制备过程中，重复执行上述第一薄膜层和第二薄膜层的制备步骤，直至反射薄膜单元的制备数量达到预设数量，即完成相变材料的沉积步骤，此时反射薄膜结构的层级示意图如图5所示。需要注意的是，图5中所示的反射薄膜结构仅示出了两个反射薄膜单元制备完成之后的层级示意图，实际制备时根据反射薄膜单元的制备需求在基板上进行重复沉积制备即可。
薄膜沉积完成后，在所有反射薄膜单元中的第一薄膜层两侧通过shield mask制备金属电极，该金属电极可以为钼(Mo)电极、铜(Cu)电极或钛(Ti)-铝(Al)-钛(Ti)复合电极中的任意一种，并且其在制备时需要保证与所有反射薄膜单元的第一薄膜层接触，如图6所示。随后在金属电极上施加脉冲电压，例如施加5V，980ns脉冲宽度的脉冲电压，使所有反射薄膜单元中的第一薄膜层的相变材料发生相变特性转变，由非晶体态转变为晶体态，对应的折射率也发生变化，由常温下的3.4变化至2.2左右。
相变特性转变完成后，撤除电场，并且刻蚀掉外围的金属电极以及叠层薄膜结构，使第一薄膜层和第二薄膜层的尺寸相同，形成如图1所示的反射薄膜结构。需要注意的是，金属电极以及叠层薄膜结构的刻蚀方式可以直接根据现有技术的手段进行，本实施例不进行详细说明和限制。
本实施例通过使用同种相变材料的沉积作为反射薄膜结构的基本层级，并改变其中一部分薄膜层级的晶相形态实现层级之间不同折射率的实现，在保证反射薄膜结构的反射效率的基础上，使反射薄膜结构在制备过程中使用同一种沉积工艺即可实现所有薄膜层级的制备，使工艺流程更简单，更适用于低成本大面积制备。
以上对本公开多个实施例进行了详细说明，但本公开不限于这些具体的实施例，本领域技术人员在本公开构思的基础上，能够做出多种变型和修改实施例，这些变型和修改都应落入本公开所要求保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种反射薄膜结构的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1，在基板上沉积相变材料，形成第一反射薄膜单元的第一薄膜层；
步骤2，在所述第一反射薄膜单元的第一薄膜层远离所述基板一侧的表面上设置掩膜板，并通过掩膜板在所述第一反射薄膜单元的第一薄膜层远离所述基板一侧的表面上沉积相变材料，以形成第一反射薄膜单元的第二薄膜层，其中，所述第一薄膜层的正投影完全覆盖所述第二薄膜层的正投影；
步骤3，去除掩膜板，在所述第一反射薄膜单元的第二薄膜层远离所述基板一侧的表面上沉积相变材料，形成第二反射薄膜单元的第一薄膜层；
步骤4，重复执行步骤2和步骤3直至所述反射薄膜单元的数量为预设数量；
步骤5，在所有所述反射薄膜单元的第一薄膜层两侧制备金属电极；
步骤6，在所述金属电极上施加脉冲电压，使所有所述反射薄膜单元的第一薄膜层的相变材料转变为晶体态；
步骤7，撤除电场，并刻蚀掉所述金属电极以及每个所述反射薄膜单元的叠层薄膜，所述叠层薄膜为所述反射薄膜单元中第一薄膜层的正投影与所述第二薄膜层的正投影不重合的部分。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所有所述反射薄膜单元的第一薄膜层的第一厚度均相同，所有所述反射薄膜单元的第二薄膜层的第二厚度均相同。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属电极为钼电极、铜电极或钛-铝-钛复合电极中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属电极上施加脉冲电压为5V，脉冲宽度为980ns。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述相变材料基于磁控溅射的方式进行沉积。
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