[发明专利]基于硅衬底氮化物的悬空谐振光子器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明提出一种基于硅衬底氮化物的悬空谐振光子器件及其制备方法，属于信息材料与器件领域。

背景技术

从材料角度来看，氮化物材料特别是GaN材料，具有较高的折射率(~2.5)，在可见光、近红外波段透明，是一种优异的光学材料。然而，由于SiC和蓝宝石衬底不易加工，而氮化物特别是GaN的加工技术也不成熟，限制了氮化物光子及光学微机电器件的发展。近年来，通过引入AlN/AlGaN或其它独有的缓冲层来弥补晶格失配以及热膨胀不一致引起的残余应力，基于硅衬底的高质量氮化物材料日益成熟，已经逐步走向市场。美国的Nitronex、日本的Sanken等公司已经推出了商用的基于硅衬底氮化物材料。许多学术研究机构孵化出的高科技材料企业也将其特有的材料生长技术向企业界转化，可以根据用户的需求提供4-inch甚至更大尺寸的基于硅衬底的氮化物材料。同时，氮化物材料加工技术的不断突破，这一材料体系可以和目前成熟的硅加工技术结合起来，大规模、低成本制备新颖的氮化物光电器件。基于硅衬底的氮化物材料，利用成熟的硅刻蚀加工技术，可以进行硅衬底剥离，从而可以制备出悬空的氮化物薄膜光子器件，为发展面向光通信、光传感的氮化物光子及光学微机电器件奠定了基础。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够对光场有很强的限制备用，可以实现光波与悬空氮化物光子器件的交互作用的基于硅衬底氮化物的悬空谐振光子器件以及一种能够与硅加工技术兼容，便于实现集成光子器件的制备方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种基于硅衬底氮化物的悬空谐振光子器件，实现载体为硅衬底III族氮化物晶片，包括硅衬底层，以及设置在硅衬底层上的顶层氮化物器件层，其中：

所述硅衬底层为凹形结构，上部开口为一个长方体的空腔；

所述顶层氮化物器件层位于长方体空腔上部的悬空部分具有纳米光子器件结构。

作为本发明的一种优化结构：所述纳米光子器件结构为圆形光栅结构或二维光子晶体结构。

作为本发明的一种优化结构：所述微纳米光子器件结构为线形光栅结构。

本发明还设计了一种基于硅衬底氮化物的悬空谐振光子器件的制备方法，，选用硅衬底III族氮化物晶片为实现载体，硅衬底III族氮化物晶片包括硅衬底层，以及设置在硅衬底层上的顶层氮化物器件层，包括如下具体步骤：

步骤（1）：利用电子束蒸发技术在所述硅衬底III族氮化物晶片的顶层氮化物器件层上表面沉淀一层氧化铪薄膜层作为刻蚀掩模层；

步骤（2）：在所述刻蚀掩模层上表面旋涂一层电子束光刻胶层；

步骤（3）：利用电子束曝光技术在所述电子束光刻胶层定义纳米光子器件结构；

步骤（4）:利用离子束轰击技术将步骤（3）中的纳米光子器件结构转移到所述氧化铪薄膜层；

步骤（5）：利用氮化物刻蚀技术将所述顶层氮化物器件层按照步骤（4）中的纳米光子器件结构贯穿刻蚀至所述硅衬底层上表面；

步骤（6）：利用各向同性硅刻蚀技术将顶层氮化物器件层具有纳米光子器件结构部分的下部硅衬底剥离，硅衬底层形成对称的凹形结构，使顶层氮化物器件层具有纳米光子器件结构的部分形成悬空结构；

步骤（7）：利用氧气等离子灰化方法去除残余电子束光刻胶层；

步骤（8）：利用BHF或Vapor HF工艺，去除残余的氧化铪薄膜层。

作为本发明的一种优化方法：所述步骤（3）中的纳米光子器件结构为圆形光栅结构或二维光子晶体结构。

作为本发明的一种优化方法：所述步骤（3）中的纳米光子器件结构为线形光栅结构。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明利用了氮化物材料和空气的大折射率差异，使悬空氮化物纳米器件结构对光场有很强的限制备用，可以实现光波与悬空氮化物光子器件的交互作用；

2.本发明引入氧化铪作为刻蚀掩模层，解决了氮化物加工的难题，通过各项异性硅刻蚀工艺，实现了悬空的氮化物谐振光子器件；

3.悬空线形光栅可以用作偏振依赖性光学器件，利用其结构上的对称性，悬空圆形光栅和二维光子晶体可以发展为偏振不敏感光学元件；

4.谐振光子器件展示了显著的对器件结构参数、环境介质的敏感性，可以用作滤光器件、高反射率微镜以及光传感器件，其制备技术可以与硅加工技术兼容，便于实现集成光子器件。

附图说明

图1是本发明所设计的基于硅衬底氮化物的悬空谐振光子器件的结构简图。