CN116940866A - 自对准纳米柱涂层及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
超颖表面设备可以有利地用于小型化、平面化和薄膜、高空间分辨率以及密集集成到光学设备中。它们有潜力用于使波束传播方向转向、整形波前光，以及为诸如感测、成像、光检测和测距之类的应用传递信息。但是，与传统光学设备相比，超颖表面设备可以具有差的整体效率。本公开的实施例涉及包括具有低折射率涂层的高折射率柱的图案的超颖表面设备。有利地，低折射率涂层可以提高超颖表面设备的光学效率，这可以使这些超颖表面设备适合于多种应用。
Description
相关申请的交叉引用
本申请依据35U.S.C.§119(e)要求于2021年1月6日提交的标题为“Self-AlignedNano-Pillar Coatings and Method of Manufacturing”的美国临时专利申请序列No.63/134,372的利益和优先权，该申请出于所有目的通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明一般而言涉及超颖表面结构及其制造方法。
背景技术
波前整形和波束赋形是可以定制自由空间传播光的空间振幅/相位分布以便创建期望的波束图案(例如，焦斑、偏转和全息术)的过程。工业中广泛使用的传统方法涉及体积大、相对重且弯曲的介电抛物面镜/透镜。这些不良特征源于常规光学透镜背后的物理机制，即，强制执行不同的光路长度来累积不同的相位延迟。相比之下，超颖表面包括非均匀亚波长散射体，能够突然控制界面处的反射/透射相位(0-2π)和振幅(0-1)。入射光上的这些空间变化的相移可以通过利用具有精心设计的组成材料、几何形状、朝向和结构参数的单位-单元格阵列来实现。
一般而言，超颖表面作为人工结构化材料可以提供设备小型化、平面化和薄型化、高空间分辨率以及密集集成到光学设备中的机会。此外，它们还具有用于控制波束传播方向、塑造光的波前以及为诸如感测、成像、光检测和测距(例如，LiDAR)之类的应用传递信息的潜力。虽然光学超颖表面的设计作为常规光学元件(例如，光栅、透镜、全息图、波片、偏振器和光谱滤波器)的有希望的替代品已经取得了显著的进展，但仍然存在一些尚未得到充分解决的限制，包括大规模渐变图案超颖表面的整体效率。特别地，实现高效的波束偏转工程(例如，最大化衍射效率)以将入射光的总强度转移到期望的偏转角度可以是有益的。这可以被认为是各种光学成像/感测设备背后的基本机制。因此，它可以对下一代平面透镜产生重大影响，不仅具有低成本制造、平面形状系数和紧凑性，而且具有相对高的光学效率。
附图说明
参考以下附图和数据图将更全面地理解本描述，这些附图和数据图作为本公开的各种实施例呈现并且不应当被解释为对本公开的范围的完整叙述，其中:
图1A图示了根据本发明的实施例的包括具有低折射率涂层的纳米光栅的纳米结构的等距视图。
图1B图示了根据本发明的实施例的包括具有低折射率涂层的纳米柱的纳米结构的等距视图。
图1C图示了结合图1B公开的纳米柱的横截面图。
图1D图示了根据本发明的实施例的包括具有低折射率涂层的纳米光栅的纳米结构的等距视图。
图1E图示了根据本发明的实施例的包括具有低折射率涂层的纳米柱的纳米结构的等距视图。
图1F图示了结合图1E公开的纳米柱的横截面图。
图1G图示了根据本发明的实施例的包括具有低折射率涂层的纳米光栅的纳米结构的等距视图。
图1H图示了根据本发明的实施例的包括具有低折射率涂层的纳米柱的纳米结构的等距视图。
图1I图示了结合图1H公开的纳米柱的横截面图。
图2是根据本发明的实施例的2D构建块的几个横截面的示意图。
图3A-3C图示了根据本发明的实施例的结合有低折射率涂层的高折射率纳米结构的不同配置的各种不同横截面。
图4A是根据本发明的实施例的由不同的低/高折射率材料填充的级联圆形波导的示意图。
图4B是具有圆形横截面的高折射率纳米柱的二端口横向等效网络，包括结合图4A描述的多层低折射率帽。
图5图示了根据本发明的实施例的利用低折射率涂层实现的纳米结构的横截面图。
图6A-6D图示了根据本发明的各个实施例的顶部低折射率涂层和底部低折射率涂层的各个层的各个图。
图7图示了根据本发明的实施例的用低折射率涂层实现的纳米结构的横截面图。
图8A-8H图示了根据本发明的各个实施例的顶部低折射率涂层和底部低折射率涂层的各个层的各个图。
图9图示了根据本发明的实施例的用低折射率涂层实现的纳米结构的横截面图。
图10A-10F图示了根据本发明的各种实施例的顶部低折射率涂层和底部低折射率涂层的各个层的各种曲线图。
图11图示了根据本发明的实施例的用低折射率涂层实现的纳米结构的横截面图。
图12A-12H图示了根据本发明的各个实施例的顶部低折射率涂层906和底部低折射率涂层508的各个层的各个图。
图13A是根据本发明的实施例的通过将多层低折射率涂层结合到高折射率元阵列中来改善总透射率的示意图。
图13B图示了比较具有与不具有如结合图13A所描述的低折射率涂层(例如，低折射率帽)的超颖表面设备的透射率的图。
图14A是根据本发明的实施例的在存在与不存在多层低折射率帽的情况下包括高折射率纳米柱阵列的超级单元格的示意性概览。
图14B是根据本发明的实施例的在不存在与存在一个、两个、……和N个帽的情况下优化的有限大规模弯曲元透镜的远场辐射图的趋势的演示。
图15图示了根据本发明的实施例的包括具有与不具有多层低折射率涂层的纳米柱阵列的两个周期性元光栅。
图16示意性地图示了根据本发明的实施例的具有抛物线相位分布的聚焦透镜，其可以包括具有与不具有低折射率材料的涂层的纳米柱元阵列。
图17A-17C图示了根据本发明的实施例的示例性超颖表面设备。
图18是在不存在与存在根据本发明的各种实施例的多层自对准低折射率涂层的情况下图17A-17C中示出的Si纳米棒单位-单元格的光学性能(和σt)的表比较。
图19是根据本发明的各种实施例的对于5°、10.5°、16.11°、21.6°和30°的目标角在存在和不存在多层自对准低折射率涂层的情况下Si纳米光栅的光学性能(T+1、T0和R0)的表比较。
图20是根据本发明的各种实施例的在不存在与存在多层自对准低折射率涂层的情况下优化的Si纳米光栅的光学性能(和)的表比较。
发明内容
本发明的许多实施例包括超颖表面设备，其包括基板；形成在基板上的高折射率柱的图案；以及与高折射率柱直接接触的低折射率材料的涂层，其中低折射率材料的涂层具有比高折射率柱低的折射率。有利地，低折射率材料的涂层可以提高超颖表面设备的光学效率。在一些实施例中，低折射率材料的涂层可以是多层低折射率材料，其包括两层或更多层低折射率材料，每层低折射率材料的折射率低于高折射率柱。在一些实施例中，低折射率材料可以涂覆在高折射率柱之上或之下。在一些实施例中，低折射率材料的涂层包括大约等于高折射率柱的一个或多个横向维度的一个或多个横向维度。
另外，本发明的许多实施例包括超颖表面设备，其包括：基板；形成在基板上的高折射率柱的图案；以及与高折射率柱重叠的低折射率材料的涂层。低折射率材料的涂层的折射率低于高折射率柱的折射率。
在各个其它实施例中，高折射率柱的图案包括硅、锗、磷镓、砷镓、锑镓、磷铟、砷化铟、锑化铟、氧化钛、氮化硅或锗锑碲，而低折射率材料的涂层包括氧化铝、氧化硅、氧化镁、氟化镁、氮化硅，或氧化铪。
在还有各种其它实施例中，高折射率柱被低折射率封装材料包围。
在还有各种其它实施例中，低折射率材料的涂层包括多层低折射率材料。
在还有各种其它实施例中，多层低折射率材料包括两层或更多层低折射率材料，每一层的折射率低于高折射率柱。
在还有各种其它实施例中，基板包括比高折射率柱的折射率低的折射率。
在还有各种其它实施例中，低折射率材料的涂层位于高折射率柱的与基板相对的一侧上。
在还有各种其它实施例中，低折射率材料的涂层位于高折射率柱和基板之间。
在还有各种其它实施例中，低折射率材料的涂层既位于高折射率柱的与基板相对的一侧上，又位于高折射率柱与基板之间。
在还有各种其它实施例中，低折射率材料的涂层共形地涂覆在高折射率柱的顶表面和侧表面上。
在还有各种其它实施例中，低折射率材料的涂层仅涂覆在高折射率柱的顶表面上。
在还有各种其它实施例中，高折射率柱各自驻留在基板中的多个开口内。
在还有各种其它实施例中，低折射率涂层共形地涂覆在包括多个开口的基板上。
在还有各种其它实施例中，低折射率涂层的部分位于基板和高折射率柱之间。
在又各种其它实施例中，低折射率材料的涂层包括大约等于高折射率柱的一个或多个横向维度的一个或多个横向维度。
在还有各种其它实施例中，高折射率柱包括半导体或硫族化物材料，并且低折射率材料的涂层包括较低折射率电介质或氧化物。
在还有各种其它实施例中，低折射率材料的涂层具有在1.46和2.1之间的折射率。
在还有各种其它实施例中，高折射率柱具有高于1.8的折射率。
在还有各种其它实施例中，高折射率柱具有高于2.5的折射率。
在还有各种其它实施例中，低折射率材料的涂层与高折射率柱直接接触。
在还有各种其它实施例中，低折射率材料的涂层仅涂覆在高折射率柱的顶表面上。
在还有各种其它实施例中，超颖表面设备还包括低折射率封装材料，其中低折射率涂层定位在低折射率封装材料和高折射率柱之间。
在还有各种其它实施例中，超颖表面设备还包括位于高折射率柱和基板之间的第二低折射率涂层。
在还有各种其它实施例中，第二低折射率涂层是涂覆基板并且直接接触高折射率柱和封装介质的连续层。
在还有各种其它实施例中，超颖表面设备还包括定位在高折射率柱和低折射率涂层之间的低折射率封装材料。
在还有各种其它实施例中，低折射率涂层是涂覆在低折射率封装材料之上的连续层。
在还有各种其它实施例中，超颖表面装置还包括位于高折射率柱和基板之间的第二低折射率涂层。
在还有各种其它实施例中，第二低折射率涂层是涂覆基板的连续层。
在还有各种其它实施例中，低折射率涂层包括第一顶部低折射率涂层和第二顶部低折射率涂层，并且其中第二低折射率涂层包括第一底部低折射率涂层和第二底部低折射率涂层。
在还有各种其它实施例中，第一顶部低折射率涂层包括25nm-55nm的厚度并且第二顶部低折射率涂层包括70nm-35nm的厚度。
在还有各种其它实施例中，第一底部低折射率涂层包括160nm-185nm的厚度并且第二底部低折射率涂层包括100nm-135nm的厚度。
在还有各种其它实施例中，低折射率涂层还包括第三顶部低折射率涂层和第四顶部低折射率涂层，并且第二低折射率涂层包括第三底部低折射率涂层和第四底部低折射率涂层。
在还有各种其它实施例中，低折射率材料的涂层为高折射率柱提供抗反射特性。
另外，本发明的许多实施例包括一种制造超颖表面设备的方法，该方法包括：提供基板；在基板上制造高折射率柱的图案；以及使用自对准沉积工艺用低折射率涂层涂覆高折射率柱。
在各种其它实施例中，自对准沉积工艺包括共形地涂覆高折射率柱。
在还有各种其它实施例中，该方法还包括在高折射率柱之上沉积低折射率封装介质。
在还有各种其它实施例中，在涂覆高折射率柱之前沉积低折射率封装介质，使得低折射率涂层定位在低折射率封装介质之上。
在还有各种其它实施例中，在涂覆高折射率柱之后沉积低折射率封装介质，使得低折射率封装介质直接接触低折射率涂层的顶表面和高折射率柱的侧壁。
在还有各种其它实施例中，自对准沉积工艺包括沉积高折射率层和在高折射率层的顶部上沉积一个或多个低折射率层、蚀刻高折射率层和所述一个或多个低折射率层以留下高折射率柱和在高折射率柱上形成帽的低折射率涂层。
另外，本发明的许多实施例包括一种制造超颖表面设备的方法，该方法包括：提供基板，该基板包括多个开口；用低折射率涂层涂覆基板的表面，包括多个开口的内部；以及在多个开口内沉积高折射率柱的图案。
在各种其它实施例中，高折射率柱的顶表面与低折射率涂层的顶表面大致共面。
具体实施方式
先前在基于超颖表面的光学系统中产生传输效率改进的方法可以包括：
·拓扑调整以支持高品质因数(Q因数)特征，诸如导模谐振或连续体中的光学束缚态(BIC)。所支持的高Q因数谐振可以为光提供稳健的控制并实现高传输水平和全相位敏捷性，
但可以包括复杂的物理几何形状和高度准确的制造过程。
·垂直级联的多层超颖表面(例如，共享孔径光学平台)。已经证明，几个层状超颖表面的集成可以提高传输效率，这可能是由于光与高折射率材料相互作用的增加以及经历强耦合的电磁模式所致。但是，在一些情况下，由于级联层之间可能存在横向未对准以及较高的入射角灵敏度，水平排列的纳米结构可以具有较小的制造公差。
·多部分单位-单元格超颖表面。在每个单位-单元格中结合多于单个具有不同几何形状或结构参数的包含物可以增加设计的自由度并提高光学效率，但这种方法可能无法保持占地面积的紧凑性。单位-单元格的增大(>l/2)会降低大目标角度下的视角和衍射效率。
作为先进的光学透镜，全介电超颖表面可以能够执行宽扫描角度的波束转向、发散/会聚以及二维和三维波束赋形/整形，其特点优于常规光学器件，包括亚波长超薄厚度、平坦和平面形式、与微/纳米制造方法的兼容性以及至少部分归因于纳米技术和材料科学的进步的低成本制造。但是，与常规光学器件不同，它们可能无法以接近一致(near unity)的效率引导光。这可以是由于几种物理现象造成的，诸如相邻单位-单元格之间不期望的耦合效应、所需相位分布的不完美实现以及无法实现全相位拾取(2π)、邻居元件中的突然相移以及相位调制期间传输振幅的不均匀性。本发明的实施例与可用的微/纳米制造技术兼容并且容忍制造缺陷，以便提高基于超颖表面的透镜的衍射效率。
由于几何上不同的亚波长单位-单元格的存在，光学元平台的输入阻抗可以在相位调谐范围内变化。这会在光源和光学超颖表面之间造成阻抗不匹配，从而导致光反射或功率传输效率低下。作为本质上窄带超颖表面的不可避免的现象，调谐构建块的结构参数以实现空间相位调制会产生不可忽略的不匹配。因此，来自照亮发射阵列超颖表面的源的功率中的一些会被朝着源反射(例如，反射损耗)。
本发明的实施例涉及与高折射率亚波长结构自对准的介电材料的多层堆叠，使得多层堆叠的横向维度和纹理与亚波长结构的横向尺寸成比例且相关，这可以增强最终设备的光学性能。将自对准的多层低折射率涂层结合到基于超颖表面的平台中可以以多种方式执行，并且可以基于情况目的进行调整。在一些实施例中，多层堆叠包括N层低折射率介电材料，其中层的折射率为ni＝1.46-2.1，厚度di＝5nm-300nm，其中i＝1，2，...，N。
图1A-1I图示了包括自对准纳米结构涂层的示例纳米结构。每个纳米结构可以包括在主高折射率纳米结构上方或下方的多层低折射率材料。多层堆叠可以仅放置在高折射率一维(1D)和二维(2D)包含物的顶部上，如结合图1A-1C所描述的。图1A图示了根据本发明的实施例的包括具有低折射率涂层的纳米光栅的纳米结构的等距视图。纳米光栅102a定位在基板104上。纳米光栅102a可以包括高折射率材料。低折射率涂层106a可以是纳米光栅102a上的帽。低折射率涂层106a可以是多层涂层。低折射率涂层106a具有比纳米光栅102a低的折射率。纳米光栅102a可以是纳米棒。纳米光栅102a可以是一维纳米光栅。图1B图示了根据本发明的实施例的包括具有低折射率涂层的纳米柱的纳米结构的等距视图。纳米柱102b定位在基板104上。纳米柱102b可以包括高折射率材料。低折射率涂层106b可以是纳米柱102b上的帽。低折射率涂层106b可以是多层涂层。低折射率涂层106b具有比纳米柱102b低的折射率。纳米柱102b可以包括圆形横截面。纳米柱102b可以是二维纳米柱。图1C图示了结合图1B公开的纳米柱102b的横截面图。
在一些实施例中，对于图1A的纳米光栅102a和图1B的纳米柱102b，制作自对准结构的方法可以包括沉积高折射率层，然后沉积低折射率层，然后蚀刻高折射率层和低折射率层，使得低折射率涂层106a、106b和高折射率纳米光栅102a或纳米柱102b均呈现硬掩模的横穿横截面。在一些实施例中，可以掩蔽高折射率层，然后可以执行氧化。可替代地，进行剥离工艺，其中在抗蚀剂中限定开口(与高折射率纳米光栅102a或纳米柱102b对准，或用于定义高折射率纳米光栅102a或纳米柱102b)，然后沉积附加的介电层，然后剥离抗蚀剂。
多层堆叠可以放置在整个超颖表面的界面上(高折射率包含物和基板两者)，如结合图1D-1F所描述的。图1D图示了根据本发明的实施例的包括具有低折射率涂层的纳米光栅的纳米结构的等距视图。纳米光栅102a共享图1A中讨论的特征并且这些特征将不再详细重复。低折射率涂层108a可以共形地沉积在纳米光栅102a上。低折射率涂层108a可以是多层低折射率涂层。低折射率涂层108a具有比纳米光栅102a更低的折射率。图1E图示了根据本发明的实施例的包括具有低折射率涂层的纳米柱的纳米结构的等距视图。纳米柱102b具有图1B中讨论的特征并且这些特征将不再详细重复。低折射率涂层108b可以共形地沉积在纳米柱102b上。低折射率涂层108b可以是多层低折射率涂层。低折射率涂层108b具有比纳米柱102b更低的折射率。图1F图示了结合图1E公开的纳米柱102b的横截面图。
多层堆叠可以放置在构图的低折射率介电基板上，然后由高折射率材料填充。多层低折射率涂层位于高折射率纳米结构下方，如结合图1G-1I所描述的。图1G图示了根据本发明的实施例的包括具有低折射率涂层的纳米光栅的纳米结构的等距视图。纳米光栅102a可以定位在基板104内的空隙或孔中。低折射率涂层110a可以共形地沉积在空隙或孔中，使得低折射率涂层110a定位在基板104和纳米光栅102a之间。低折射率涂层110a可以是多层低折射率涂层。低折射率涂层110a具有比纳米光栅102a更低的折射率。图1H图示了根据本发明的实施例的包括具有低折射率涂层的纳米柱的纳米结构的等距视图。纳米柱102b可以定位在基板104内的空隙或孔中。低折射率涂层110b可以共形地沉积在空隙或孔中，使得低折射率涂层110b定位在基板104和纳米柱102b之间。低折射率涂层110b可以是多层低折射率涂层。低折射率涂层110b具有比纳米柱102b更低的折射率。图11图示了结合图1H公开的纳米柱102b的横截面图。
与图1D-1F的低折射率涂层108a、108b或图1G-1I的低折射率涂层110a、110b相比，图1A-1C的低折射率涂层106a、106b可以在沉积之后被蚀刻。虽然2D构建块只能用圆形横截面来演示，但纳米结构也可以包括规则/不规则多边形横截面。
低折射率涂层增强了具有各种构图横截面形状的1D光栅纳米结构和2D纳米柱的光学效率，而不增加任何显著的制造复杂性。图2图示了根据本发明的各种实施例的其它可能的单位-单元格横截面(例如，x-y平面)。这五个图示类别包括但不限于非多边形202(例如，圆形、椭圆形和同心圆)、规则/不规则三角形204、四边形206(例如，矩形、正方形、方圆和同心矩形)、N边多边形208(N>4)和其它210(十字形、C形、L形)。已经设想了此处未示出的其它横截面。
而且，所公开的低折射率涂层可以包括来自图1中详细阐述的拓扑的任何其它可能的启发或衍生的拓扑。图3A-3C图示了根据本发明的实施例的结合有低折射率涂层的高折射率纳米结构的不同构造的各种不同横截面。结合图1A-1C描述的低折射率涂层106a、106b可以位于高折射率纳米结构102a、102b下方或者位于高折射率纳米结构102a、102b的顶部和下方，如图3A和3B中所示。而且，图3C图示了与结合图1G-1I描述的低折射率涂层110a、110b密切相关的另一种拓扑。如图所示，基板104的顶表面可以不存在低折射率涂层110a、110b。可以从基板104的表面蚀刻或抛光低折射率涂层110a、110b，使得纳米柱102a或纳米光栅102b与基板104的表面齐平。
由低折射率涂层产生的光学效率的改进的示例可以包括：
·总透射改进：总透射率的提高(例如，所有衍射谐波的透过强度与入射波束强度的比率)。这可以通过增强每个单独选择的超颖表面单位-单元格的透射振幅来实现。假设光学系统中耗散损耗较低(例如，不存在有损耗材料或存在消光系数可忽略不计的材料)，这也会导致反射减少。
·按需波束偏转效率增强：具有高增益的高指向性元阵列：单个目标角度高达θ<30°的波束偏转效率(透射到期望衍射级的功率与入射波束总功率的比率)增强。这是可实现的，因为可以为优化的元光栅中包括的所有单独单位-单元格获得几乎均匀的透射振幅。
·完全控制辐射图旁瓣：减少不要求的衍射级：减少透射式元光栅中的镜面反射(例如，反射的零级衍射)，同时透射的零级衍射可以维持在低水平。
·对复杂波束赋形/整形的稳健适用性：宽视角下的衍射效率提高：宽视角(例如，-30°至+30°)的衍射效率持续增强，从而导致改善更复杂的透镜的功能，包括最大偏转角θ<30°的全息图和f值低至近似0.9的聚焦透镜。一般而言，这些透镜受益于具有不同衍射角的多个元光栅(例如，超颖表面的不同排列)。因此，所公开的设计技术的实施例可以产生在宽视角上同时衍射效率改进的可能性，这可以导致总体功能改进而较少依赖于元阵列布置。
纳米结构设计和示例制造方法
本发明的实施例包括用于将多层低折射率涂层结合到基于超颖表面的光学平台中的通用概念。这些实施例中的每一个都包括可以由Si、Ge、III-V族化合物半导体(例如，GaP、GaAs、GaSb、InP、InAs和InSb)、TiO2、SiN和锗-锑-碲(GST)或其它高折射率材料制成的高折射率纳米结构。这些高折射率纳米元件可以形成具有各种图案横截面的1D纳米光栅或2D柱，如图2中所描绘的。这些折射率高于1.8(n>1.8)、高度在[λ/2-λ]范围内的构建块可以经由空间相位调制产生稳健的光操纵。在一些实施例中，高折射率纳米元件可以具有高于2.5(n>2.5)的折射率。这些高折射率纳米元件可以通过诸如溅射工艺之类的沉积工艺，然后经由电子束、光刻和纳米压印光刻进行构图，然后蚀刻沉积的高折射率膜来制造。
已经发现，这些高折射率纳米元件形成包括高折射率包含物的基于超颖表面的平台。这些基于超颖表面的平台可以面临光学效率限制。不限于任何特定理论，这些限制可以是由于缺乏同时实现全透射和相位覆盖的可能性(例如，对于具有可变结构参数的所有单元的完美阻抗匹配)而出现的。本发明的各种实施例包括层状的低折射率材料，其包括Al2O3、SiO2、MgO、MgF2、SiN和HIO2。这种层状的低折射率材料可以涂覆在高折射率纳米元件上，并且可以有助于在设计过程中增加更多自由度并提高光学效率。低折射率层可以通过各种沉积工艺生长，诸如化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、溅射和电子束/热蒸发。低折射率膜可以各自具有在1.46-2.1范围内的折射率以及在5nm与300nm之间的厚度。在一些实施例中，多层低折射率涂层的不同层可以由不同的低折射率涂层材料制成(例如，一层可以由Al2O3制成，而另一层可以由SiO2制成)。与结合图1D-1F讨论的低折射率涂层108a、108b和结合图1G-11讨论的低折射率涂层110a、110b形成对比，结合图1A-1C讨论的低折射率涂层106a、106b可以包括进一步的制造步骤，其中低折射率膜在其沉积过程之后但在定义高折射率纳米结构之前被蚀刻。可以通过显影光致抗蚀剂膜来执行蚀刻以定义图案。有利地，这单个蚀刻步骤然后可以定义高折射率柱和相关联的低折射率涂层两者。光致抗蚀剂最终可以通过剥离技术去除。综上所述，所提出的自对准柱涂层的制造可以使用多个沉积阶段和光刻过程来执行。这些简单的实施步骤使这些纳米结构易于制造，并且对于密集集成到光学元设备中是期望的。
物理机制示例
呈现了结合图1B和1C公开的存在低折射率介电帽106b的纳米柱102b与具有N+1个不连续性的圆形波导之间的类比。图4A是根据本发明的实施例的由不同的低/高折射率材料填充的级联圆形波导的示意图。级联圆形波导可以包括纳米柱102b，纳米柱102b可以在TE-/TM-偏振光的照射下沿着z轴定向。级联圆形波导可以由涂覆有形成为低折射率介电帽的低折射率涂层106b的纳米柱102b填充。图4A示出了包括四个区段的级联波导构造的图：区段1是包括纳米柱102b的高折射率填充波导，区段2-4由可以包括低折射率涂层106b的低折射率材料填充。波导横截面沿着纳米结构可以是相同的，因此唯一的不连续性可以与材料的光学常数沿着传播方向(例如，z轴)的变化有关。对各向同性圆形波导情况下电磁波的传播进行了分析，包括磁横模和电横模。图4B是具有圆形横截面的高折射率纳米柱102b的两端口横穿等效网络，包括结合图4A描述的多层低折射率帽106b。对于TE/TM波，由厚度为di、折射率为ni并且半径为a的介电层组成的单位-单元格的传输矩阵可以写作如下(假设时间谐波场为eiωt形式)，
其中是介质填充圆形波导内沿着z轴的复传播常数，并且在假设工作频率大于截止频率(f>fc)的情况下，TE和TM波的波阻抗分别为和对于TE偏振模式，截止频率(fc)定义为其中a是圆形波导的半径，并且X’mn指示第一类且阶数为m(m＝0,1,2,3,...)的贝塞尔函数Jm的导数的第n个零(n＝1,2,3，...)。为了简单起见，我们只研究了这种充满各向同性介质的级联波导中的传播模式。总ABCD(电压-电流传输)矩阵可以通过链接对应波导中所有级联的不连续性的ABCD矩阵来获得。ABCD参数独立于源阻抗和负载阻抗。为了将ABCD参数转换成散射(S-)参数，虽然常用的方法是考虑具有相同横截面的空波导的TEmn/TMmn模式波阻抗作为端口参考阻抗，但假设自由空间波阻抗与具有多层帽的独立式高折射率纳米柱问题的底层物理性质一致。因此，|S21|(输出发射功率波除以输入入射功率波的比率，透射系数)和|S11|(反射功率波除以输入入射功率波的比率，反射系数)可以被计算为圆形波导半径的函数。在特定TEmn/TMmn模式照明的情况下，由于所有界面具有相同的横截面，因此沿着级联层不能激发其它模式。因此，将多个具有精心优化的di厚度和ni折射率的低折射率层添加到高折射率层可以有助于丰富其功能并使其能够以优异的光学特点操纵光。多层低折射率帽的重大贡献示例可以包括：
·大多数支柱半径的透射振幅(|S21|)增加，
·稳定的透射振幅响应作为支柱半径的函数，
·增加透射相位跨度(∠S21)作为支柱半径的函数。
不限于任何特定理论，可以通过向构建块添加更多自由度来实现上述贡献，这可以使得有可能实现源阻抗与负载阻抗之间更宽的阻抗匹配。这可以相当于两种介质之间的全功率转换，同时可以稳健地控制相位延迟。虽然物理机制可以类似于毫米波结构中级联波导实现的宽带带通滤波器，但这里的目标是保持不同柱半径的阻抗匹配，而不是特别加宽频率带宽。所公开的方法可以是减少反射损耗(例如，来自照亮透射光学平台的光源的一些功率反射回光源的功率的损耗)的稳健方式。如下面所公开的，上面提到的成果可以特别有助于提高高折射率柱超颖表面的光学效率。
其它实施例
虽然上述公开内容涉及可以存在于纳米结构上的多层帽，但多层结构也可以被实现为与纳米结构重叠的连续层。纳米结构可以是上面讨论的纳米柱102a或纳米光栅102b。图5图示了根据本发明的实施例的利用低折射率涂层实现的纳米结构的横截面图。纳米结构可以是纳米柱102a或纳米光栅102b。底部低折射率涂层508可以定位在纳米结构102a、102b下方，使得底部低折射率涂层508位于基板104和纳米结构102a、102b之间。底部低折射率涂层508可以是连续的和/或未构图的涂层。底部低折射率涂层508可以是多层低折射率涂层。纳米结构102a、102b可以被封装介质504覆盖。顶部低折射率涂层506可以定位在封装介质504的顶部。顶部低折射率涂层506可以是连续的和/或未构图的涂层。顶部低折射率涂层506可以是多层低折射率涂层。
图6A-6D图示了根据本发明的各个实施例的顶部低折射率涂层506和底部低折射率涂层508的各个层的各个图。底部低折射率涂层508可以包括两个低折射率层。图6A图示了底部低折射率涂层508的第一低折射率层的各种实施方式的各种厚度的图。图6B图示了底部低折射率涂层508的第二低折射率层的各种实施方式的各种厚度的图。顶部低折射率涂层506可以包括两个低折射率层。图6C图示了顶部低折射率涂层506的第一低折射率层的各种实施方式的各种厚度的图。图6D图示了顶部低折射率涂层506的第二低折射率层的各种实施方式的各种厚度的图。对于图6A-6D，垂直轴表示各种厚度，并且水平轴表示各种设计。对于水平轴，P###指示纳米结构102a、102b的特定节距，而h###指示纳米结构102a、102b的特定高度。例如，P360-h550.0指示纳米结构102a、102b的节距为360nm并且高度为550nm。
在一些实施例中，顶部低折射率涂层506包括第一顶部低折射率涂层和第二顶部低折射率涂层，并且底部低折射率涂层508包括第一底部低折射率涂层和第二底部低折射率涂层。每个涂层的厚度的各种配置可以在图6A-6D中找到。在一些实施例中，第一顶部低折射率涂层包括25nm-55nm的厚度并且第二顶部低折射率涂层包括70nm-35nm的厚度。在一些实施例中，第一底部低折射率涂层包括160nm-185nm的厚度并且第二底部低折射率涂层包括100nm-135nm的厚度。
在一些实施例中，顶部低折射率涂层506还包括第三顶部低折射率涂层和第四顶部低折射率涂层，并且其中底部低折射率涂层508还包括第三底部低折射率涂层和第四底部低折射率涂层(如图7中所示)。每个涂层的厚度的各种配置可以在图8A-8H中找到。
图7图示了根据本发明的实施例的用低折射率涂层实现的纳米结构的横截面图。图7的特征结合图5进行描述，并且将不再重复这些描述。图8A-8H图示了根据本发明的各个实施例的顶部低折射率涂层506和底部低折射率涂层508的各个层的各个图。底部低折射率涂层508可以包括四个低折射率层。图8A图示了底部低折射率涂层508的第一低折射率层的各种实施方式的各种厚度的图。图8B图示了底部低折射率涂层508的第二低折射率层的各种实施方式的各种厚度的图。图8C图示了底部低折射率涂层508的第三低折射率层的各种实施方式的各种厚度的图。图8D图示了底部低折射率涂层508的第四低折射率层的各种实施方式的各种厚度的图。
顶部低折射率涂层506可以包括四个低折射率层。图8E图示了顶部低折射率涂层506的第一低折射率层的各种实施方式的各种厚度的图。图8F图示了顶部低折射率涂层506的第二低折射率层的各种实施方式的各种厚度的图。图8G图示了顶部低折射率涂层506的第三低折射率层的各种实施方式的各种厚度的图。图8H图示了顶部低折射率涂层506的第四低折射率层的各种实施方式的各种厚度的图。对于图8A-8H，垂直轴表示各种厚度，并且水平轴表示各种设计。对于水平轴，P###指示纳米结构102a、102b的特定间距，而h###指示纳米结构102a、102b的特定高度。例如，P370-h550.0指示纳米结构102a、102b的节距为370nm并且高度为550nm。
图9图示了根据本发明的实施例的用低折射率涂层实现的纳米结构的横截面图。图9的许多特征结合图5进行了描述，并且将不再重复这些描述。在图9中，纳米结构102a、102b可以直接涂覆有顶部低折射率涂层906。顶部低折射率涂层906可以被构图以直接在纳米结构102a、102b上形成帽。封装介质504可以形成在顶部低折射率涂层906的顶部上，使得顶部低折射率涂层906定位在封装介质504与纳米结构102a、102b之间，同时封装介质504直接接触纳米结构102a、102b的侧壁。
在一些实施例中，顶部低折射率涂层906包括第一顶部低折射率涂层和第二顶部低折射率涂层，并且底部低折射率涂层508包括第一底部低折射率涂层、第二底部低折射率涂层、第三底部低折射率涂层和第四底部低折射率涂层。每个涂层的厚度的各种配置可以在图10A-10F中找到。
图10A-10F图示了根据本发明的各种实施例的顶部低折射率涂层906和底部低折射率涂层508的各个层的各个图。底部低折射率涂层508可以包括四个低折射率层。图10A图示了底部低折射率涂层508的第一低折射率层的各种实施方式的各种厚度的图。图10B图示了底部低折射率涂层508的第二低折射率层的各种实施方式的各种厚度的图。图10C图示了底部低折射率涂层508的第三低折射率层的各种实施方式的各种厚度的图。图10D图示了底部低折射率涂层508的第四低折射率层的各种实施方式的各种厚度的图。
顶部低折射率涂层906可以包括两个低折射率层。图10E图示了顶部低折射率涂层906的第一低折射率层的各种实施方式的各种厚度的图。图10F图示了顶部低折射率涂层906的第二低折射率层的各种实施方式的各种厚度的图。对于图10A-10F，垂直轴表示各种厚度，并且水平轴表示各种设计。对于水平轴，P###指示纳米结构102a、102b的特定节距，而h###指示纳米结构102a、102b的特定高度。例如，P390-h600.0指示纳米结构102a、102b的节距为390nm并且高度为600nm。
图11图示了根据本发明的实施例的用低折射率涂层实现的纳米结构的横截面图。图11的特征结合图9进行描述，并且将不再重复这些描述。在一些实施例中，顶部低折射率涂层906包括第一顶部低折射率涂层、第二顶部低折射率涂层、第三顶部低折射率涂层和第四顶部低折射率涂层，并且底部低折射率涂层508包括第一底部低折射率涂层、第二底部低折射率涂层、第三底部低折射率涂层和第四底部低折射率涂层。每个涂层的厚度的各种配置可以在图12A-12H中找到。
图12A-12H图示了根据本发明的各个实施例的顶部低折射率涂层906和底部低折射率涂层508的各个层的各个图。底部低折射率涂层508可以包括四个低折射率层。图12A图示了底部低折射率涂层508的第一低折射率层的各种实施方式的各种厚度的图。图12B图示了底部低折射率涂层508的第二低折射率层的各种实施方式的各种厚度的图。图12C图示了底部低折射率涂层508的第三低折射率层的各种实施方式的各种厚度的图。图12D图示了底部低折射率涂层508的第四低折射率层的各种实施方式的各种厚度的图。
顶部低折射率涂层906可以包括四个低折射率层。图12E图示了顶部低折射率涂层906的第一低折射率层的各种实施方式的各种厚度的图。图12F图示了顶部低折射率涂层906的第二低折射率层的各种实施方式的各种厚度的图。图12G图示了顶部低折射率涂层906的第三低折射率层的各种实施方式的各种厚度的图。图12H图示了顶部低折射率涂层906的第四低折射率层的各种实施方式的各种厚度的图。对于图10A-1OH，垂直轴表示各种厚度，并且水平轴表示各种设计。对于水平轴，P###指示纳米结构102a、102b的特定节距，而h###指示纳米结构102a、102b的特定高度。例如，P390-h600.0指示纳米结构102a、102b的间距为390nm并且高度为600nm。
虽然上面讨论的实施例包括用于顶部低折射率涂层506、906和底部低折射率涂层508的两个或四个低折射率层，但是顶部低折射率涂层506、906和底部低折射率涂层508可以包括更多或更少的低折射率层。例如，顶部低折射率涂层506、906和底部低折射率涂层508可以包括一层、两层、三层、四层、五层等。另外，结合图5-12描述的配置可以与结合图1-4描述的任何配置一起使用。封装介质504可以通过非选择性工艺沉积。在封装介质504封装纳米结构102a、102b的情况下，封装介质504可以封装包括低折射率帽906的完整纳米结构102a、102b，如图9或图11中所示。
各种示例改进的讨论
总传输改进
透射光学透镜的设计和实施方式中的关键准则之一与它们成功地将照明光的功率从源透射到目标平面的能力有关。在基于超颖表面的透镜中，对于所有单独选择的超颖表面构建块来说，以可忽略的小反射完全透射入射波束可以是有益的。应当强调的是，为了实现从0到2π的相位捷变，元透镜可以包括具有各种结构参数(例如，直径、宽度、长度等)的亚波长单位-单元格阵列。一般而言，简单的单位-单元格(例如，没有多层低折射率涂层的纳米柱)可能不容易同时实现高透射率和全相移，因为全相位覆盖主要通过经历局部几何谐振来实现。这会导致透射光的振幅的空间分布的不均匀性和波动。
如所讨论的，没有多层涂层的纳米柱可能无法实现所有必要的物理维度的理想阻抗匹配。有利地，低折射率柱帽/涂层的集成可以缓解这个问题，并且更容易实现2π相移，同时减少对几何谐振的依赖。
图13A是根据本发明的实施例通过将多层低折射率涂层结合到高折射率元阵列中来改善总透射率的示意图。如图所示，裸纳米柱1302可以包括非理想光学特点，其包括与结合多层低折射率涂层1304的纳米柱相比时不均匀的波前和较低的元阵列透射率。优化的元阵列1304包括自对准柱涂层，其可以增强总透射率并改善透射波前的均匀性。裸纳米柱1302表现出不均匀的波前和较低的透射率(例如，所有衍射谐波中的透射功率与入射波束的功率的比率)。具有结合的多层低折射率涂层1304的元阵列可以表现出光学系统中的低耗散损耗以及构成材料的可忽略的小消光系数，这可以有利地减少反射。图13B图示了比较超颖表面设备具有与不具有如结合图13A所描述的低折射率涂层(例如，低折射率帽)的透射率的图。如图所示，低折射率涂层使各个位置的总透射率更加均匀。
令Sij是单位-单元格的S参数，位于坐标(i，j)处，取决于所选择的物理维度(这里，纳米柱的直径)。是指作为镜面反射和背向散射从单位单元格反射的功率，并且表示透射功率与入射功率的比率。f(x，y)是超颖表面(z＝0)界面处的场(例如，振幅和相位)的复数值。因此，每个单位单元格处的总入射功率Fij等于∫∫unitcell-areaf(t,y)dxdy总透射效率可以通过下式评估：
在局部周期性假设下，可以利用S参数，其可以通过周期性单位-单元格研究被计算为可变物理维度(例如，直径)的函数。所建议的设计方案提供了稳健的框架来实现等式2的最优值。通过使用与基于麦克斯韦方程的电磁求解器相结合的优化技术(例如，严格耦合波分析；RCWA)，可以以如下方式确定适当的物理维度，诸如周期性、高折射率包含物的高度以及柱涂层的厚度/折射率，使得对于所有研究的单位-单元格，可以实现最终具有高透射水平的全相位拾取。因此，会增加，而生成的超颖表面的一般光学性能会超出常用的没有多层涂层/帽的纳米柱。
按需波束偏转效率增强：具有高增益的高指向性元阵列
一般而言，透射模式下光学超颖表面的波束偏转可能面临几个挑战，即
·偏离预设计的偏转角度，
·低偏转效率(也称为有限元阵列的增益)，特别是对于高弯曲角度，
·主远场方向图波瓣的大半功率波束宽度或半高全宽，
·方向性有限。
这些可以由于若干可能的缺陷而出现，诸如相邻像素之间的耦合、所需相位分布的不完美实现以及无法获得全相位拾取(2π)、相邻元件中的突然相移以及相位调制期间透射振幅的不均匀性。最后一个可以被认为是获得最优光学效率的波束偏转的最重要因素。这与亚波长单位-单元格(<λ/2)、高折射率包含物的合理高度(<λ)以及0至2π相移的可及性可能是实现具有高增益的高度定向元阵列的障碍。通篇讨论的自对准柱涂层的实施例可以通过在相位调制期间提供更高且均匀的传输幅度并提供全相位拾取(2π)来改善先前提到的伪影。
光学效率通常可以通过有限元阵列的增益和方向性来定义。方向性是特定方向上的辐射强度与所有方向上平均的辐射强度的比率。方向性可以计算如下：
其中是处的辐射强度。而且，增益是指方向性乘以元阵列效率(例如，辐射功率与入射功率的比率)。如上面所讨论的，多层低折射率涂层的结合可以提高元阵列效率，从而在方向性增加的情况下可以增加光学系统的增益。由于超颖表面孔径上的电磁场量值不均匀，会发生增益和方向性的降低。
图14A和14B中示出了根据本发明的实施例的在存在与不存在多层低折射率帽/涂层的情况下用于将入射波束朝着θ的弯曲角偏转的分级图案超颖表面的一般示例。图14A是根据本发明的实施例的包括在存在与不存在多层低折射率帽的情况下的高折射率纳米柱阵列的超级单元格的示意性概览。图14B是根据本发明的实施例的在不存在与存在一个、两个、...和N个帽的情况下优化的有限大规模弯曲元透镜的远场辐射方向图的趋势的演示，α、β、γ和δ影响所发射信号的波束宽度。方向性、增益、半功率波束宽度(HPBW)和/或半高全宽(FWHM)可以通过添加附加的覆盖层来逐步改善。
图14A图示了与结合图1A-1C描述的低折射率涂层106a、106b类似的低折射率涂层构造，也可以通过本文描述的其它低折射率涂层(例如，图1D-1F的低折射率涂层108a、108b或图1G-1I的低折射率涂层110a、110b)获得有益的结果。通过优化低折射率涂层106a、106b的物理参数，可以提高与目标弯曲角度相关的期望衍射级(透射一级衍射，T+1)的光学效率。优化的多层低折射率涂层可以在单个预定义弯曲角度(例如，<30°)下产生最大可能的偏转效率值。
如图14B中示意性所示，增益/方向性和波束宽度之间存在权衡。增加帽的数量可以增加增益和方向性以及远场辐射方向图主瓣的波束宽度，其变得更窄(α>β>γ>δ).因此，可以通过增加帽层来逐步提高增益、方向性和HPBW。
与图1D-1F的低折射率涂层108a、108b或图1G-1I的低折射率涂层110a、110b相比，结合图1A-1C描述的低折射率涂层106a、106b可以不限于其对于光学效率改进的益处。结合图1A-1C描述的低折射率涂层106a、106b还可以提供以下益处：
·如果所结合的低折射率帽之一具有耗散损耗，那么结合图1A-1C描述的低折射率涂层106a、106b仍然可以实现所有前述的效率改进。与图1D-1F的低折射率涂层108a、108b或图1G-11的低折射率涂层110a、110b相比，与有损耗低折射率层106a、106b的光相互作用可以受到限制。
·结合图1A-1C描述的低折射率涂层106a、106b可以用于提高已制造的具有裸露的高折射率纳米柱的超颖表面的光学效率。这在图1D-1F的低折射率涂层108a、108b中也是可能的。换句话说，如果已经制造了超颖表面，那么可能不需要再次重复所有制造步骤。可以利用如图1A-1C和图1D-1F所示的连续或离散多层涂层的单个沉积步骤，以便改善阻抗匹配并提高光学效率。
完全控制辐射图旁瓣：减少不期望的衍射级
在涉及朝着特定方向操纵光的光学应用中，光学设备可以受益于避免不期望的辐射图案旁瓣的激励以获得最优功能性。当以无限大的周期方式研究元透镜时，有限大尺度元透镜的远场辐射图旁瓣可以与不期望的衍射级的激发成比例。因此，有限大尺度元透镜中旁瓣的减少可以通过减少周期性元光栅中不期望的衍射激励来实现。图15是根据本发明的实施例的通过将多层低折射率涂层结合到高折射率元阵列中来扣除(deduction)不期望的衍射级的示意图。图15图示了根据本发明的实施例的包括具有与不具有多层低折射率涂层的纳米柱阵列的两个周期性元光栅。在不期望的衍射级中，反射的零级(也称为镜面反射或像镜子的反射)、透射的零级(T0)和透射的二阶(T±2)可能特别重要，因为这些衍射级可能通过图像质量的降级或集成传感器的光检测不准确而导致成像和感测应用中出现不期望的伪影。
如上面所讨论的，在高折射率纳米柱阵列上结合多层低折射率涂层可以增加朝着期望角度(例如，T+1)的衍射功率。基于光学系统中的能量守恒以及不存在耗散损耗(或可忽略不计的小损耗)，这可以转化为功率的总体下降，该功率可以转移到其它透射/反射衍射级。此外，我们在上面提到，在多层低折射率涂层的存在下，总透射率(例如，所有衍射谐波中的透射功率与入射波束的功率之比)可以增加。因此，这也证实了反射的衍射级的整体抑制。综上所述，多层低折射率涂层的结合可以有助于解决和减轻对反射衍射级的担忧，特别是镜面反射(R0)，如图15中所示。透射/反射的衍射级的趋势通过箭头详细说明，其中箭头的长度指示对应衍射级的强度。期望的T+1增加，并且不期望的衍射级(例如，R0、T0和T+2)减少或保持较小。此外，它还可以减少透射的高阶衍射(T±2，T±3，...)。对于透射零级衍射，其水平通常受益于单位-单元格的周期性和元光栅界面处相位分布的实现。由于包括多层低折射率涂层的结构可以保留周期性和相位分布，因此所透射的零级衍射水平仍然可以保持相对小。
复杂的波束赋形/整形的强大适用性：宽视角下的衍射效率提高
在前面的部分中，我们关注具有朝着单一弯曲角度的波束偏转的光学平台以及多层低折射率涂层如何可以在包括拓扑优化的各种机制下提高光学效率。虽然改善朝着特定角度的波束转向的能力在不同的光学应用中可以是有益的，但在宽视场中持续增强衍射效率也可以是重要的。更复杂的透镜(包括全息图和聚焦/会聚透镜)的功能改进可以受益于广阔的视野。例如，具有抛物线相位分布的聚焦透镜由不同排列的单位-单元格组成。第一原理模拟可以包括求解极大的有限超颖表面的电磁场，这可以在计算上昂贵并且可以根据具体情况重复(例如，具有不同焦距的聚焦透镜)。
图16示意性地图示了根据本发明的实施例的具有抛物线相位分布的聚焦透镜，其可以包括具有与不具有低折射率材料的涂层的纳米柱元阵列。多层低折射率涂层可以提高聚焦功能的光学效率。阐述了聚焦特点的趋势，即，焦点的强度、FIPBW和形成焦点的空间位置得到改善。可以有可能将抛物线相位分布划分为几个线性相位分布，这可以通过类似于前面章节讨论的超单位-单元格来实现。聚焦透镜表面可能具有如下问题：包括聚焦效率差、焦斑半功率波束宽度(FIPBW)大、偏离预先设计的焦距、焦深(DOF)大。在配备多层低折射率涂层的元阵列中，每个超级单元格可以更高效地操纵光，从而可以提高聚焦效率。因此，与没有多层低折射率涂层的情况相比，可以获得相对较小的HPBW和DOF。与没有多层低折射率涂层的设计相比，具有低折射率涂层的设计可以更优越。通过优化设计方案的物理参数，可以优化整体结构。在一些实施例中，实现多层低折射率涂层的设计可以结合在具有最大偏转角θ<30°的全息图中以及具有低至近似0.9的f数的聚焦透镜。
另外，所提出的设计方案可以包括特定类型的高折射率材料(例如，活性材料)。在一些实施例中，高折射率材料可以是碲化锗锑(GST，或GeSbTe)和液晶(例如，E7)。这些材料可以在主动波束赋形/整形中发挥核心作用，这可以是用于各种应用(包括自主无人机/车辆和无线/卫星通信纳米/微米天线)的光探测和测距设备(LiDAR)背后的基本原理。因此，将多层低折射率涂层结合到此类光学元设备中可以有助于实现高效的可调谐波束赋形/整形。特别地，提高增益、方向性、HPBW和旁瓣水平的可能性可以有利于自由空间光通信。此外，它还有助于提高LiDAR设备捕获周围区域信息的准确性。
进一步的示例实施例
提供示例性实施例是为了说明具体设想的设计，但绝不是限制性的。图17A-17C图示了根据本发明的实施例的示例性超颖表面设备，每个设备包括高折射率材料，该高折射率材料包括宽度、高度和周期为w、h和P的亚波长Si纳米棒(nSi＝3.789)的阵列，其被折射率为nEncapsulation＝1.47的低折射率材料包围，并且放置在折射率为nSubstrate＝1.451的低折射率基板上。在图17A-17C中，高度、周期、宽度为h、P和w的亚波长Si纳米柱(nSi＝3.789)嵌入折射率为nEncapsulation＝1.47的低折射率材料中，并放置在折射率为nSubstrate＝1.451的低折射率基板上，(左)无多层柱涂层，(中和右)有一层帽和两层帽。图17A-17C所示的设计是图1A-1C中结合自对准柱涂层的设计。图17A图示了没有低折射率涂层的高折射率纳米柱。纳米柱102b被封装在封装介质504中。图17B图示了具有单层低折射率涂层1702的纳米柱102b。图17C图示了具有两层低折射率涂层1704的纳米柱102b。
可以使用几个定量准则来比较在存在(图17B和17C)与不存在(图17A)多层自对准低折射率涂层的情况下Si纳米光栅的光学性能，
·平均透射率或透射这可以通过将不同物理尺寸(例如，宽度(w))的透射率/透射值的总和除以所研究的宽度样本的数量(Nw)来计算，可以用于2π相位覆盖，
·反射率或反射率的平均值：在研究的宽度样本数量(Nw)上针对不同物理尺寸(例如，w)计算的反射率/反射值的平均值，
·透射(σT)或透射率(σt)的标准偏差：σt/σT是透射率/透射值分布程度的测量。因此，它可以帮助量化透射率/透射响应的均匀性，
·透射一级衍射(T+1)：这与朝着期望角度的衍射功率有关。这可以转化为方向性的增量如果元阵列效率(例如，辐射功率与入射功率之比)增加，那么增益也增加。
·反射的零级衍射(也称为镜面反射或像镜子的反射，R0)和透射的零级衍射(T0)：这些可以被视为不期望的衍射级，应该减少它们以减少成像/感测伪影。这可以转化为有限元阵列中辐射方向图旁瓣的递减。
·透射一级衍射透射零级衍射和反射零级衍射的平均值：可以通过计算跨不同目标角度(例如，5°、7.7°、10.5°、13.3°、16.11°、18.8°、21.6°、24.4°、27.2°和30°)的T+1、T0和R0的平均值获得。
示例1
图18是在不存在与存在根据本发明的各种实施例的多层自对准低折射率涂层的情况下图17A-17C中示出的Si纳米棒单位-单元格的光学性能(和σt)的表比较。该表比较了从包括存在与不存在多层自对准低折射率涂层的情况下的Si纳米光栅的许多示例性实施例获得的和στ以及σt的光学性能定量值。图18中还提供了多层自对准涂层的优化厚度和折射率以及Si纳米棒的高度和周期(h和P)。宽度范围考虑在120nm和(P-120nm)之间，步长为2nm。
如所看到的，柱帽的结合有助于增加透射和透射率的平均值(和)并降低反射率(reflection)和反射率(reflectance)的平均值(和)。这意味着在存在多层低折射率自对准涂层的情况下具有更高的总透射率。而且，通过添加低折射率帽，降低了透射率/透射率的标准偏差(σt和σT)，这可以在针对所有单独的单位-单元格的相位调制期间转化为更均匀的透射振幅。因此，设计的透射模式波前将更加均匀。帽层/涂层层数越多，性能越好。
示例2
图19是根据本发明的各种实施例的对于5°、10.5°、16.11°、21.6°和30°的目标角在存在与不存在多层自对准低折射率涂层的情况下Si纳米光栅的光学性能(T+1，T0和R0)的表比较。该表比较了在存在与不存在多层自对准低折射率涂层的情况下包括Si纳米光栅的示例性实施例的透射一阶(T+1)、透射零阶(T0)和反射零阶(R0)衍射。图11中还提供了多层自对准涂层的优化厚度和折射率以及Si纳米光栅的高度和周期(h和P)。目标角度在π/6和π/3之间选择，并且柱的宽度范围在120nm和P-120nm之间，步长为2nm。
如图19中所指示的，自对准柱帽的集成逐渐改善了几乎所有小于±30°的目标角度的透射一级衍射(T+1)。为了简洁起见，这里省略了与负目标角度相关的结果。如图所示，对于5°和30°之间的角度，当将存在低折射率涂层的情况与不存在低折射率涂层的情况进行比较时，T+1角度的值高出5％以上。有利地，对于较高的目标角度(例如，30°)，两层低折射率涂层高出10％以上。因此，使用多层柱涂层可以导致实现具有高增益的高度定向元阵列。
此外，对于所示角度5°、10.5°、16.11°、21.6°和30°，反射的零级衍射显著减小。如图所示，当比较存在两层低折射率涂层与不存在低折射率涂层的情况时，所有角度的反射零级衍射(R0)值至少降低了80％。对于存在或不存在(一个或多个)低折射率涂层的情况，透射的零级(T0)维持在低水平。虽然未提供透射/反射的高阶衍射值(如T±2)，但在多层低折射率柱涂层存在的情况下，它们的量值也可以减小和/或保持在可忽略不计的小。由于光学性能的增强已经在宽视角下获得，因此多层低折射率柱涂层的存在可以提高更复杂的光学平台的光学效率，如最大偏转角θ<30°的全息图和f值低至约0.9的聚焦透镜。
另外，图20是根据本发明的各种实施例的在不存在与存在多层自对准低折射率涂层的情况下优化的Si纳米光栅的光学性能(和)的表比较。图20是图示了结合图19描述的自对准柱帽的结果的表，指示透射一级衍射透射零级衍射和反射零级衍射的平均值的性能准则。可以清楚地看到，从没有柱涂层的情况下的74.84％增加到有单层低折射率涂层的情况下的80.84％，最后通过使用两层自对准柱涂层达到84.20％。而且，当比较不存在柱涂层与存在两层低折射率涂层时，观察到平均镜面反射降低了近85％。最后，从没有柱涂层时的0.87％降低到存在两层低折射率柱涂层时的0.68％。因此，技术人员将认识到基于更多层低折射率柱涂层的更好性能的上升趋势。
等同原则
虽然以上描述包含本发明的许多具体实施例，但这些不应当被解释为对本发明范围的限制，而应被视为本发明的一个实施例的示例。因此，应该理解的是，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，本发明可以以具体描述之外的方式来实践。因此，本发明的实施例在所有方面都应当被认为是说明性的而非限制性的。因而，本发明的范围不应当由所示实施例确定，而是由所附权利要求及其等同形式确定。
Claims (41)
1.一种超颖表面设备，包括：
基板；
形成在基板上的高折射率柱的图案；以及
与高折射率柱重叠的低折射率材料的涂层，其中低折射率材料的涂层具有比高折射率柱更低的折射率。
2.如权利要求1所述的超颖表面设备，
其中高折射率柱的图案包括硅、锗、磷镓、砷镓、锑镓、磷铟、砷化铟、锑化铟、氧化钛、氮化硅或锗锑碲；以及
其中低折射率材料的涂层包括氧化铝、氧化硅、氧化镁、氟化镁、氮化硅或氧化铪。
3.如权利要求1所述的超颖表面设备，其中高折射率柱被低折射率封装材料包围。
4.如权利要求1所述的超颖表面设备，其中低折射率材料的涂层包括多层低折射率材料。
5.如权利要求4所述的超颖表面设备，其中所述多层低折射率材料包括两层或更多层的低折射率材料，每一层的折射率低于高折射率柱。
6.如权利要求1所述的超颖表面设备，其中基板包括比高折射率柱的折射率更低的折射率。
7.如权利要求1所述的超颖表面设备，其中低折射率材料的涂层位于高折射率柱的与基板相对的一侧上。
8.如权利要求1所述的超颖表面设备，其中低折射率材料的涂层位于高折射率柱和基板之间。
9.如权利要求1所述的超颖表面设备，其中低折射率材料的涂层既位于高折射率柱的与基板相对的一侧上，又位于高折射率柱与基板之间。
10.如权利要求1所述的超颖表面设备，其中低折射率材料的涂层共形地涂覆在高折射率柱的顶表面和侧表面上。
11.如权利要求1所述的超颖表面设备，其中低折射率材料的涂层仅涂覆在高折射率柱的顶表面上。
12.如权利要求1所述的超颖表面设备，其中高折射率柱各自驻留在基板中的多个开口内。
13.如权利要求12所述的超颖表面设备，其中低折射率涂层共形地涂覆在包括所述多个开口的基板上。
14.如权利要求13所述的超颖表面设备，其中低折射率涂层的部分位于基板和高折射率柱之间。
15.如权利要求1所述的超颖表面设备，其中低折射率材料的涂层包括大约等于高折射率柱的一个或多个横向维度的一个或多个横向维度。
16.如权利要求1所述的超颖表面设备，其中高折射率柱包括半导体或硫族化物材料，并且低折射率材料的涂层包括较低折射率电介质或氧化物。
17.如权利要求1所述的超颖表面设备，其中低折射率材料的涂层具有在1.46和2.1之间的折射率。
18.如权利要求17所述的超颖表面设备，其中高折射率柱具有高于1.8的折射率。
19.如权利要求18所述的超颖表面设备，其中高折射率柱具有高于2.5的折射率。
20.如权利要求1所述的超颖表面设备，其中低折射率材料的涂层与高折射率柱直接接触。
21.如权利要求20所述的超颖表面设备，其中低折射率材料的涂层仅涂覆在高折射率柱的顶表面上。
22.如权利要求21所述的超颖表面设备，还包括低折射率封装材料，其中低折射率涂层定位在低折射率封装材料和高折射率柱之间。
23.如权利要求22所述的超颖表面设备，还包括位于高折射率柱和基板之间的第二低折射率涂层。
24.如权利要求23所述的超颖表面设备，其中第二低折射率涂层是涂覆基板并且直接接触高折射率柱和封装介质的连续层。
25.如权利要求1所述的超颖表面设备，还包括定位在高折射率柱和低折射率涂层之间的低折射率封装材料。
26.如权利要求25所述的超颖表面设备，其中低折射率涂层是涂覆在低折射率封装材料之上的连续层。
27.如权利要求25所述的超颖表面设备，还包括位于高折射率柱和基板之间的第二低折射率涂层。
28.如权利要求27所述的超颖表面设备，其中第二低折射率涂层是涂覆基板的连续层。
29.如权利要求28所述的超颖表面设备，其中低折射率涂层包括第一顶部低折射率涂层和第二顶部低折射率涂层，并且其中第二低折射率涂层包括第一底部低折射率涂层和第二底部低折射率涂层。
30.如权利要求29所述的超颖表面设备，其中第一顶部低折射率涂层包括25nm-55nm的厚度并且第二顶部低折射率涂层包括70nm-35nm的厚度。
31.如权利要求30所述的超颖表面设备，其中第一底部低折射率涂层包括160nm-185nm的厚度并且第二底部低折射率涂层包括100nm-135nm的厚度。
32.如权利要求29所述的超颖表面设备，其中低折射率涂层还包括第三顶部低折射率涂层和第四顶部低折射率涂层，并且其中第二低折射率涂层包括第三底部低折射率涂层和第四底部低折射率涂层。
33.如权利要求1所述的超颖表面设备，其中低折射率材料的涂层为高折射率柱提供抗反射特性。
34.一种制造超颖表面设备的方法，该方法包括：
提供基板；
在基板上制造高折射率柱的图案；以及
使用自对准沉积工艺用低折射率涂层涂覆高折射率柱。
35.如权利要求34所述的方法，其中自对准沉积工艺包括共形地涂覆高折射率柱。
36.如权利要求34所述的方法，还包括在高折射率柱之上沉积低折射率封装介质。
37.如权利要求36所述的方法，其中在涂覆高折射率柱之前沉积低折射率封装介质，使得低折射率涂层定位在所述低折射率封装介质之上。
38.如权利要求37所述的方法，其中在涂覆高折射率柱之后沉积低折射率封装介质，使得所述低折射率封装介质直接接触低折射率涂层的顶表面和高折射率柱的侧壁。
39.如权利要求34所述的方法，其中自对准沉积工艺包括沉积高折射率层和在高折射率层的顶部沉积一个或多个低折射率层、蚀刻高折射率层和所述一个或多个低折射率层以留下高折射率柱和在高折射率柱上形成帽的低折射率涂层。
40.一种制造超颖表面设备的方法，该方法包括：
提供基板，其中基板包括多个开口；
用低折射率涂层涂覆基板的表面，包括所述多个开口的内部；以及
在所述多个开口内沉积高折射率柱的图案。
41.如权利要求40所述的方法，其中高折射率柱的顶表面与低折射率涂层的顶表面大致共面。
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