專利名稱：基于硅襯底氮化物材料的集成光子器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種基于硅襯底氮化物材料的集成光子器件及其設(shè)計(jì)、制備方法，屬于信息功能材料及器件技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
利用空氣作為上下層的低折射率材料，大的折射率差異使懸空的納米光子器件展示了優(yōu)異的光學(xué)性能，可以作為單層的反射鏡來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的多層布拉格反射鏡。集成于III 族氮化物/硅晶片的懸空納米光子器件，通過(guò)設(shè)計(jì)合適的器件結(jié)構(gòu)參數(shù)，懸空的光子器件可以作為一個(gè)諧振腔，實(shí)現(xiàn)對(duì)氮化物材料發(fā)光光譜的波長(zhǎng)選擇，該集成氮化物光子器件已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。同時(shí)，合適的器件結(jié)構(gòu)不僅可以實(shí)現(xiàn)高的反射率，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射光的偏振控制。此外，器件結(jié)構(gòu)更為緊湊，可以和微機(jī)電技術(shù)集成，實(shí)現(xiàn)可調(diào)的懸空納米光子器件。氧化鉿薄膜材料在可見(jiàn)光波段具有優(yōu)異的光學(xué)性能，其大的氧化鉿/空氣折射率差異使氧化鉿薄膜材料適宜制備可見(jiàn)光波段的集成光子器件。采用選擇性濕法刻蝕工藝，在不引入刻蝕損傷的前提下，獲得集成于III族氮化物/硅晶片上懸空的氧化鉿納米光子器件，用以取代傳統(tǒng)的頂層布拉格反射鏡，是集成氮化物光子器件的一個(gè)重要發(fā)展方向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種能夠便于實(shí)現(xiàn)集成的基于氮化物材料的集成光子器件的結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)、制備方法。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于硅襯底氮化物材料的集成光子器件，實(shí)現(xiàn)載體為硅襯底III族氮化物晶片，包括硅襯底層，以及設(shè)置在硅襯底層上的頂層氮化物器件層，其中
還包括從下往上依次設(shè)置在所述頂層氮化物器件層上的一層氮化鋁薄膜層和一層氧化鉿薄膜層；
所述氮化鋁薄膜層具有一個(gè)貫穿其中的空腔；
所述氧化鉿薄膜層位于所述空腔上部的懸空部分具有光子器件結(jié)構(gòu)。作為本發(fā)明的一種優(yōu)化結(jié)構(gòu)所述氧化鉿薄膜層懸空部分的上表面和下表面分別具有低折射率空氣介質(zhì)；
作為本發(fā)明的一種優(yōu)化結(jié)構(gòu)所述光子器件結(jié)構(gòu)為圓形光柵結(jié)構(gòu)或二維光子晶體結(jié)構(gòu)。作為本發(fā)明的一種優(yōu)化結(jié)構(gòu)所述光子器件結(jié)構(gòu)為懸空氧化鉿線形光柵結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還設(shè)計(jì)了一種基于硅襯底氮化物材料的集成光子器件的制備方法，選擇硅襯底III族氮化物晶片作為實(shí)現(xiàn)載體，包括硅襯底層，以及設(shè)置在硅襯底層上的頂層氮化物器件層，包括如下步驟
步驟(1)采用濺射沉積的方法在所述硅襯底III族氮化物晶片頂層氮化物器件層的上表面濺射沉積一層氮化鋁薄膜層；
步驟(2)采用電子束蒸發(fā)技術(shù)在所述氮化鋁薄膜層上表面沉積一層氧化鉿薄膜層； 步驟(3)在所述氧化鉿薄膜層的上表面旋涂一層電子束光刻膠層 步驟(4)采用電子束曝光技術(shù)在所述電子束光刻膠層定義納米光電子結(jié)構(gòu)； 步驟(5):采用離子束轟擊技術(shù)將步驟(3)中的納米光子器件結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到所述氧化鉿薄膜層，并在所述氮化鋁薄膜層打開(kāi)一個(gè)與所述納米光子器件結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的刻蝕窗口 ；
步驟(6)采用濕法刻蝕的方法將所述氮化鋁薄膜層貫穿刻蝕至所述III族氮化物薄膜層的上表面；
步驟(7)采用氧氣等離子體工藝去除殘余光刻膠。作為本發(fā)明的一種優(yōu)化方法所述步驟(6)包括如下具體操作 步驟(61)將所述氧化鉿薄膜層作為刻蝕掩膜層；
步驟(62)采用NMD-3堿性刻蝕劑將所述氮化鋁薄膜層貫穿刻蝕至所述頂層氮化物器件層的上表面。本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果
1.本發(fā)明利用氧化鉿材料和空氣的大折射率差異，使懸空氧化鉿納米器件結(jié)構(gòu)對(duì)光場(chǎng)有很強(qiáng)的限制作用，可以實(shí)現(xiàn)光波與懸空氧化鉿光子器件的交互作用。2.本發(fā)明引入氮化鋁薄膜作為犧牲層，通過(guò)特有的濕法刻蝕技術(shù)，去除氮化鋁薄膜，形成空氣間隙，實(shí)現(xiàn)集成于III族氮化物/硅晶片上的懸空氧化鉿諧振光子器件。3.懸空氧化鉿線形光柵可以用作偏振依賴性光學(xué)器件，利用其結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性， 懸空氧化鉿圓形光柵和二維光子晶體可以發(fā)展為偏振不敏感光學(xué)元件。4.諧振光子器件展示了顯著的對(duì)器件結(jié)構(gòu)參數(shù)、環(huán)境介質(zhì)的敏感性，可以用作濾光器件、高反射率微鏡以及光傳感器件；
5.利用氮化物材料的發(fā)光特性，可以實(shí)現(xiàn)集成光子器件。


圖1是本發(fā)明所設(shè)計(jì)的基于硅襯底氮化物材料的集成光子器件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖2為本發(fā)明基于硅襯底氮化物材料的集成光子器件的制造工藝流程圖. 圖3是氧化鉿/氮化鋁/III族氮化物/硅襯底材料結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是集成于III族氮化物/硅晶片上的懸空氧化鉿光子晶體器件。圖5是集成于III族氮化物/硅晶片上的懸空氧化鉿圓形光柵器件。圖6是集成于III族氮化物/硅晶片上的懸空氧化鉿納米線器件。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明
如圖1所示本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于硅襯底氮化物材料的集成光子器件，實(shí)現(xiàn)載體為硅襯底III族氮化物晶片，包括硅襯底層，以及設(shè)置在硅襯底層上的頂層氮化物器件層，其中
還包括從下往上依次設(shè)置在所述頂層氮化物器件層上的一層氮化鋁薄膜層和一層氧化鉿薄膜層；圖3所示為氧化鉿/氮化鋁/III族氮化物/硅襯底材料結(jié)構(gòu)示意圖； 所述氮化鋁薄膜層具有一個(gè)貫穿其中的空腔。所述氧化鉿薄膜層位于所述空腔上部的懸空部分具有光子器件結(jié)構(gòu)。圖4所示為集成于III族氮化物/硅晶片上的懸空氧化鉿光子晶體器件。作為本發(fā)明的一種優(yōu)化結(jié)構(gòu)所述氧化鉿薄膜層懸空部分的上表面和下表面分別具有低折射率空氣介質(zhì)。作為本發(fā)明的一種優(yōu)化結(jié)構(gòu)所述光子器件結(jié)構(gòu)為圓形光柵結(jié)構(gòu)或二維光子晶體結(jié)構(gòu)。圖5所示為集成于III族氮化物/硅晶片上的懸空氧化鉿圓形光柵器件。作為本發(fā)明的一種優(yōu)化結(jié)構(gòu)所述光子器件結(jié)構(gòu)為懸空氧化鉿線形光柵結(jié)構(gòu)。圖6所示為集成于III族氮化物/硅晶片上的懸空氧化鉿納米線器件。如圖2所示本發(fā)明還設(shè)計(jì)了一種基于硅襯底氮化物材料的集成光子器件的制備方法，選擇硅襯底III族氮化物晶片作為實(shí)現(xiàn)載體，包括硅襯底層，以及設(shè)置在硅襯底層上的頂層氮化物器件層，包括如下步驟
步驟(1)采用濺射沉積的方法在所述硅襯底III族氮化物晶片頂層氮化物器件層的上表面濺射沉積一層氮化鋁薄膜層；
步驟(2)采用電子束蒸發(fā)技術(shù)在所述氮化鋁薄膜層上表面沉積一層氧化鉿薄膜層； 步驟(3)在所述氧化鉿薄膜層的上表面旋涂一層電子束光刻膠層 步驟(4)采用電子束曝光技術(shù)在所述電子束光刻膠層定義納米光電子結(jié)構(gòu)； 步驟(5):采用離子束轟擊技術(shù)將步驟(3)中的納米光子器件結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到所述氧化鉿薄膜層，并在所述氮化鋁薄膜層打開(kāi)一個(gè)與所述納米光子器件結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的刻蝕窗口 ；
步驟(6)采用濕法刻蝕的方法將所述氮化鋁薄膜層貫穿刻蝕至所述III族氮化物薄膜層的上表面；
步驟(7)采用氧氣等離子體工藝去除殘余光刻膠。作為本發(fā)明的一種優(yōu)化方法所述步驟(6)包括如下具體操作 步驟(61)將所述氧化鉿薄膜層作為刻蝕掩膜層；
步驟(62)采用NMD-3堿性刻蝕劑將所述氮化鋁薄膜層貫穿刻蝕至所述頂層氮化物器件層的上表面。
權(quán)利要求
1.一種基于硅襯底氮化物材料的集成光子器件，實(shí)現(xiàn)載體為硅襯底III族氮化物晶片，包括硅襯底層，以及設(shè)置在硅襯底層上的頂層氮化物器件層，其特征在于還包括從下往上依次設(shè)置在所述頂層氮化物器件層上的一層氮化鋁薄膜層和一層氧化鉿薄膜層；所述氮化鋁薄膜層具有一個(gè)貫穿其中的空腔；所述氧化鉿薄膜層位于所述空腔上部的懸空部分具有光子器件結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅襯底氮化物材料的集成光子器件，其特征在于所述氧化鉿薄膜層懸空部分的上表面和下表面分別具有低折射率空氣介質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅襯底氮化物材料的集成光子器件，其特征在于所述光子器件結(jié)構(gòu)為圓形光柵結(jié)構(gòu)或二維光子晶體結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅襯底氮化物材料的集成光子器件，其特征在于所述光子器件結(jié)構(gòu)為懸空氧化鉿線形光柵結(jié)構(gòu)。
5.一種基于硅襯底氮化物材料的集成光子器件的制備方法，選擇硅襯底III族氮化物晶片作為實(shí)現(xiàn)載體，包括硅襯底層，以及設(shè)置在硅襯底層上的頂層氮化物器件層，其特征在于包括如下步驟步驟(1)采用濺射沉積的方法在所述硅襯底III族氮化物晶片頂層氮化物器件層的上表面濺射沉積一層氮化鋁薄膜層；步驟(2)采用電子束蒸發(fā)技術(shù)在所述氮化鋁薄膜層上表面沉積一層氧化鉿薄膜層； 步驟(3)在所述氧化鉿薄膜層的上表面旋涂一層電子束光刻膠層 步驟(4)采用電子束曝光技術(shù)在所述電子束光刻膠層定義納米光電子結(jié)構(gòu)； 步驟(5):采用離子束轟擊技術(shù)將步驟(3)中的納米光子器件結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到所述氧化鉿薄膜層，并在所述氮化鋁薄膜層打開(kāi)一個(gè)與所述納米光子器件結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的刻蝕窗口 ；步驟(6)采用濕法刻蝕的方法將所述氮化鋁薄膜層貫穿刻蝕至所述III族氮化物薄膜層的上表面；步驟(7)采用氧氣等離子體工藝去除殘余光刻膠。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于硅襯底氮化物材料的集成光子器件的制備方法，其特征在于所述步驟(6)包括如下具體操作步驟(61)將所述氧化鉿薄膜層作為刻蝕掩膜層；步驟(62)采用NMD-3堿性刻蝕劑將所述氮化鋁薄膜層貫穿刻蝕至所述頂層氮化物器件層的上表面。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于硅襯底氮化物材料的集成光子器件及其制備方法，實(shí)現(xiàn)載體為硅襯底III族氮化物晶片，包括硅襯底層，以及設(shè)置在硅襯底層上的頂層氮化物器件層，還包括從下往上依次設(shè)置在所述頂層氮化物器件層上的一層氮化鋁薄膜層和一層氧化鉿薄膜層；所述氮化鋁薄膜層具有一個(gè)貫穿其中的空腔；所述氧化鉿薄膜層位于所述空腔上部的懸空部分具有光子器件結(jié)構(gòu)；本發(fā)明還公開(kāi)了一種基于硅襯底氮化物材料的集成光子器件結(jié)構(gòu)的制備方法。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的一種基于硅襯底氮化物材料的集成光子器件及其制備方法能夠便于實(shí)現(xiàn)基于氮化物材料的集成光子器件的集成。
文檔編號(hào)H01S5/50GK102570313SQ20111044160
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月26日
發(fā)明者朱洪波, 王永進(jìn) 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)