[发明专利]悬空图形化氧化铪衬底氮化物谐振光子器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明提出一种悬空图形化氧化铪衬底氮化物谐振光子器件及其制备方法，属于信息功能材料及器件领域。

背景技术

III族氮化物材料具有优良的物理化学性能，是研制光电子器件的新型半导体材料。制备氮化物光子器件结构的过程中，不可避免会引入刻蚀损伤，降低器件的性能。通过图形化生长技术是解决这一难题的有效途径，通过生长技术获得器件结构，避免了刻蚀损伤。氧化铪薄膜是一种优良的氮化物衬底材料。在生长过程中，氧化铪会表面氮化形成一层氮化铪薄膜，氮化铪和III族氮化物材料的晶格匹配较小；在生长过程中，氧化铪薄膜有再结晶过程，可以补偿一部分应力。通过在悬空图形化氧化铪衬底上生长氮化物，可以直接获得悬空氮化物光子器件；利用悬空结构和空气介质的大折射率差异，实现光场和纳米结构的谐振效应，为进一步探索激发光和纳米结构的交互作用，发展新颖集成氮化物光子器件奠定了基础。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够解决了氮化物纳米结构制备过程中的刻蚀损伤问题，并通过生长的方式，直接获得高质量的悬空氮化物谐振光子器件的悬空图形化氧化铪衬底氮化物谐振光子器件及其制备方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种悬空图形化氧化铪衬底氮化物谐振光子器件，实现载体为硅衬底晶片，其特征在于：

还包括一层氧化铪衬底层和一层氮化物薄膜层，所述氧化铪衬底层设置在硅衬底晶片上，所述氮化物薄膜层设置在氧化铪衬底层上；

所述硅衬底晶片具有凹形空腔结构；

所述氮化物薄膜层和氧化铪衬底层位于凹形空腔上部的部分具有相同的纳米光子器件结构。

作为本发明的一种优化结构：所述氮化物薄膜层具有量子阱结构。

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：所述纳米光子器件结构为线形光栅结构。

本发明还设计了一种悬空图形化氧化铪衬底氮化物谐振光子器件的制备方法，选择硅衬底晶片为实现载体，其特征在于包括如下步骤：

步骤（1）：在所述顶层硅器件层的上表面沉积一层氧化物薄膜层；

步骤（2）：在所述氧化物薄膜层上表面旋涂一层电子束光刻胶层；

步骤（3）：采用电子束曝光技术在所述电子束光刻胶层上定义纳米光子器件结构；

步骤（4）：采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物薄膜层；

步骤（5）：将所述氧化物薄膜层按照步骤（4）中的纳米光子结构刻穿至所述硅衬底晶片的上表面；

步骤（6）：采用各项同性硅刻蚀技术，从所述硅衬底晶片的上表面向下剥离硅衬底晶片，形成一个凹形空腔结构；

步骤（7）：采用氧气等离子灰化方法去除残余的电子束光刻胶层。

作为本发明的一种优化方法：还包括如下步骤；

步骤（8）：利用分子束外延或金属有机化合物化学气相沉积技术在所述氧化物薄膜层上生长出氮化物薄膜层。

作为本发明的一种优化方法：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方法：所述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.本发明利用悬空图形化氧化铪衬底，通过分子束外延或金属有机化合物气相沉积技术，实现悬空的氮化物谐振光子器件，避免了氮化物纳米器件制备过程中的刻蚀损伤问题；

2.本发明所设计的基于悬空氧化铪衬底的氮化物光子器件，以空气作为顶部和底部的低折射率材料，实现了器件结构对光场的限制作用，利用光波和器件结构之间的谐振效用，发展了一种制备氮化物谐振光子器件的新方法；

3.本发明利用其谐振光子器件的特点，该器件结构可以用作滤光器件、高反射率微镜以及折射率敏感的光传感器件LED灯；

4.同时，结合氮化物的量子阱结构，可以进一步探索其激发光和器件结构之间的交互作用，为开发新颖的氮化物光子器件开辟了新的思路。

附图说明

图1为悬空图形化氧化铪衬底氮化物谐振光子器件的结构简图。

图2为悬空图形化氧化铪衬底氮化物谐振光子器件的制备流程图

图3为悬空氮化物线形光栅。

图4为悬空氮化物二维光子晶体。

图5为悬空氮化物圆形光栅。

图6为悬空氮化物谐振线形光栅的光学性能。

图7为悬空氧化铪和氮化物线形光栅的光学性能。

具体实施方式