專利名稱：基于硅襯底氮化物材料的懸空諧振光子器件及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種基于硅襯底氮化物材料的懸空諧振光子器件及其制備方法，屬于信息材料及器件技術領域。
背景技術：
光學性能來看，氮化物材料特別是GaN材料，具有較高的折射率C2. 5)，在可見光、近紅外波段透明，是一種優異的光學材料。基于硅襯底的氮化物晶片可以實現懸空的氮化物薄膜，利用氮化物和空氣之間的大的折射率差異，可以實現對光場有很強的限制作用的氮化物微納光子器件，為小型化、高密度的微納光子器件提供了物理基礎。同時，懸空的氮化物光子器件具備了空間自由度，為引入微機電驅動調節光子器件的結構參數提供了可能。通過微機電驅動器，實現對光子器件的調制，控制光子器件的光學性能，可以進一步研究光子和納米結構的相互作用等物理問題。此外，利用氮化物中的量子阱結構以及懸空氮化物納米結構，可以實現激發光和納米結構之間的交互作用，從而發展新穎的氮化物薄膜光子器件。發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種能夠實現光波與懸空光子器件交互作用的基于硅襯底氮化物材料的懸空諧振光子器件以及便于與硅微電子技術集成，實現集成硅基光電子器件的制備方法。
本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案本發明設計了一種基于硅襯底氮化物材料的懸空諧振光子器件，實現載體為硅襯底III族氮化物晶片，包括硅襯底層，以及設置在硅襯底層上的頂層氮化物器件層，其中所述硅襯底層具有一個貫穿至頂層氮化物層下表面的空腔； 所述頂層氮化物器件層位于空腔上部的懸空部分具有納米光子器件結構。
作為本發明的一種優化結構所述納米光子器件結構為圓形光柵結構或二維光子晶體結構。
作為本發明的一種優化結構所述納米光子器件結構為線形光柵結構。
本發明還設計了一種基于硅襯底氮化物材料的懸空諧振光子器件的制備方法，選用硅襯底III族氮化物晶片為實現載體，包括硅襯底層，以及設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)在所述硅襯底III族氮化物晶片的頂層氮化物器件層上表面旋涂一層電子束光刻膠層；步驟(2)利用電子束曝光技術在所述電子束光刻膠層定義納米光子器件結構； 步驟(3 )利用氮化物刻蝕技術將步驟(2 )中的納米光子器件結構轉移到所述頂層氮化物器件層；步驟(4 )在所述頂層氮化物器件層的上表面再次旋涂一層光刻膠層用于保護步驟(3 )中轉移到頂層氮化物器件層的納米光子器件結構；步驟(5)在所述硅襯底III族氮化物晶片的硅襯底層下表面旋涂一層光刻膠層，利用背后對準技術，在硅襯底層下表面的光刻膠層打開一個刻蝕窗口 ；步驟(6)將所述頂層氮化物器件層作為刻蝕阻擋層，利用深硅刻蝕工藝，通過刻蝕窗口將所述硅襯底層貫穿刻蝕至所述頂層氮化物器件層的下表面，使所述硅襯底層形成一個貫穿至所述頂層氮化物器件層下表面的空腔；步驟(7)利用氧氣等離子體灰化方法去除殘余的光刻膠層。
作為本發明的一種優化方法所述基于硅襯底氮化物的懸空諧振光子器件的制備方法，還包括如下處理步驟(8):通過背后減薄技術，將所述頂層氮化物器件層位于空腔上部的懸空部分從其下表面進行減薄處理。
作為本發明的一種優化方法步驟(2)中所述納米光子器件結構為圓形光柵結構或二維光子晶體結構。
作為本發明的一種優化方法步驟(2)中所述納米光子器件結構為線形光柵結構。
本發明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果1.本發明利用光子器件材料和空間介質的大折射率差，實現了光波與懸空光子器件的交互作用；2.利用其結構上的對稱性，懸空圓形光柵和二維光子晶體可以發展于偏振不敏感性光學元件，而懸空線形光柵可以用作偏振依賴性光學器件；3.基于硅襯底氮化物材料的懸空諧振光子器件具有優良的光學性能，可以用作濾光器件，高反射率介質微鏡以及光傳感器件，其制備技術便于與硅微電子技術集成，實現集成硅基光電子器件。
圖1 (a)是基于硅襯底氮化物材料的懸空諧振光子器件的結構簡圖。
圖1 (b)和圖1 (C)是基于硅襯底氮化物材料的超薄懸空諧振光子器件的結構簡圖。
圖2是基于硅襯底氮化物材料的懸空諧振光子器件制備流程3是基于硅襯底氮化物材料的懸空氮化物諧振圓形光柵。
圖4是基于硅襯底氮化物材料的懸空氮化物諧振線形光柵。
圖5是基于硅襯底氮化物材料的懸空氮化物諧振光子晶體。
圖6是圓形氮化物諧振光柵的光學性能。
圖7是線形氮化物諧振光柵的在不同數值孔徑下的光學性能。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明如圖1 (a)所示，本發明設計了一種基于硅襯底氮化物材料的懸空諧振光子器件，實現載體為硅襯底III族氮化物晶片，包括硅襯底層，以及設置在硅襯底層上的頂層氮化物器4件層，其中所述硅襯底層具有一個貫穿至頂層氮化物層下表面的空腔； 所述頂層氮化物器件層位于空腔上部的懸空部分具有納米光子器件結構。
作為本發明的一種優化結構所述納米光子器件結構為圓形光柵結構或二維光子晶體結構。
圖3所示為基于硅襯底氮化物材料的懸空氮化物諧振圓形光柵。
作為本發明的一種優化結構所述納米光子器件結構為線形光柵結構。
圖4所示為基于硅襯底氮化物材料的懸空氮化物諧振線形光柵。
如圖2所示，本發明還設計了一種基于硅襯底氮化物材料的懸空諧振光子器件的制備方法，選用硅襯底III族氮化物晶片為實現載體，包括硅襯底層，以及設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)在所述硅襯底III族氮化物晶片的頂層氮化物器件層上表面旋涂一層電子束光刻膠層；步驟(2)利用電子束曝光技術在所述電子束光刻膠層定義納米光子器件結構； 步驟(3)利用氮化物刻蝕技術將步驟(2)中的納米光子器件結構轉移到所述頂層氮化物器件層；步驟(4 )在所述頂層氮化物器件層的上表面再次旋涂一層光刻膠層用于保護步驟(3 ) 中轉移到頂層氮化物器件層的納米光子器件結構；步驟(5)在所述硅襯底III族氮化物晶片的硅襯底層下表面旋涂一層光刻膠層，利用背后對準技術，在硅襯底層下表面的光刻膠層打開一個刻蝕窗口 ；步驟(6)將所述頂層氮化物器件層作為刻蝕阻擋層，利用深硅刻蝕工藝，通過刻蝕窗口將所述硅襯底層貫穿刻蝕至所述頂層氮化物器件層的下表面，使所述硅襯底層形成一個貫穿至所述頂層氮化物器件層下表面的空腔；步驟(7)利用氧氣等離子體灰化方法去除殘余的光刻膠層。
作為本發明的一種優化方法所述基于硅襯底氮化物的懸空諧振光子器件的制備方法，還包括如下處理步驟(8):通過背后減薄技術，將所述頂層氮化物器件層位于空腔上部的懸空部分從其下表面進行減薄處理，實現基于硅襯底氮化物材料的超薄懸空諧振光子器件。
圖1 (b)和圖1 (C)是基于硅襯底氮化物材料的超薄懸空諧振光子器件的結構簡圖。
圖5是基于硅襯底氮化物材料的懸空氮化物諧振光子晶體。
作為本發明的一種優化方法步驟(2)中所述納米光子器件結構為圓形光柵結構或二維光子晶體結構。
作為本發明的一種優化方法步驟(2)中所述納米光子器件結構為線形光柵結構。
利用線形光柵結構，可以實現偏振依賴性濾光器件和高反射率微鏡。
利用圓形光柵和二維光子晶體的結構對稱性，可以實現偏振不敏感的諧振光子器件。
圖6所示為圓形氮化物諧振光柵的光學性能。
圖7所示為線形氮化物諧振光柵的在不同數值孔徑下的光學性能t
權利要求
1.一種基于硅襯底氮化物材料的懸空諧振光子器件，實現載體為硅襯底III族氮化物晶片，包括硅襯底層，以及設置在硅襯底層上的頂層氮化物器件層，其特征在于所述硅襯底層具有一個貫穿至頂層氮化物層下表面的長方體空腔；所述頂層氮化物器件層位于空腔上部的懸空部分具有納米光子器件結構。
2.根據權利要求1所述的基于硅襯底氮化物材料的懸空諧振光子器件，其特征在于 所述納米光子器件結構為圓形光柵結構或二維光子晶體結構。
3.根據權利要求1所述的基于硅襯底氮化物材料的懸空諧振光子器件，其特征在于 所述納米光子器件結構為線形光柵結構。
4.一種基于硅襯底氮化物材料的懸空諧振光子器件的制備方法，選用硅襯底III族氮化物晶片為實現載體，包括硅襯底層，以及設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)在所述硅襯底III族氮化物晶片的頂層氮化物器件層上表面旋涂一層電子束光刻膠層；步驟(2)采用電子束曝光技術在所述電子束光刻膠層定義納米光子器件結構；步驟(3)采用氮化物刻蝕技術將步驟(2)中的納米光子器件結構轉移到所述頂層氮化物器件層；步驟(4 )在所述頂層氮化物器件層的上表面再次旋涂一層光刻膠層用于保護步驟(3 ) 中轉移到頂層氮化物器件層的納米光子器件結構；步驟(5)在所述硅襯底III族氮化物晶片的硅襯底層下表面旋涂一層光刻膠層，利用背后對準技術，在硅襯底層下表面的光刻膠層打開一個刻蝕窗口 ；步驟(6)將所述頂層氮化物器件層作為刻蝕阻擋層，利用深硅刻蝕工藝，通過刻蝕窗口將所述硅襯底層貫穿刻蝕至所述頂層氮化物器件層的下表面，使所述硅襯底層形成一個貫穿至所述頂層氮化物器件層下表面的長方體空腔；步驟(7)采用氧氣等離子體灰化方法去除殘余的光刻膠層。
5.根據權利要求4所述的基于硅襯底氮化物材料的懸空諧振光子器件的制備方法，其特征在于還包括如下處理步驟(8):通過背后減薄技術，將所述頂層氮化物器件層位于空腔上部的懸空部分從其下表面進行減薄處理。
6.根據權利要求4所述的基于硅襯底氮化物材料的懸空諧振光子器件的制備方法，其特征在于步驟(2)中所述納米光子器件結構為圓形光柵結構或二維光子晶體結構。
7.根據權利要求4所述的基于硅襯底氮化物材料的懸空諧振光子器件的制備方法，其特征在于步驟(2)中所述納米光子器件結構為線形光柵結構。
全文摘要
本發明公開了一種基于硅襯底氮化物的懸空諧振光子器件及其制備方法，實現載體為硅襯底III族氮化物晶片，包括硅襯底層，以及設置在硅襯底層上的頂層氮化物器件層，所述硅襯底層具有一個貫穿至頂層氮化物層下表面的長方體空腔；所述頂層氮化物器件層位于空腔上部的懸空部分具有納米光子器件結構。本發明還公開了一種基于硅襯底氮化物的懸空諧振光子器件的制備方法。本發明所設計的一種基于硅襯底氮化物的懸空諧振光子器件及其制備方法能夠實現光波與懸空光子器件交互作用的基于硅襯底氮化物材料的懸空諧振光子器件以及便于與硅微電子技術集成，實現集成硅基光電子器件。
文檔編號B81C1/00GK102530821SQ20111044160
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月26日 優先權日2011年12月26日
發明者朱洪波, 王永進 申請人:南京郵電大學