[发明专利]基于铝光栅耦合氮化硅薄膜波导的颜色滤波器及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可见光滤波器件，具体地说是涉及一种利用铝光栅耦合氮化硅薄膜波导结构实现对可见光高效选频的滤波器件。

背景技术

颜色滤波器是在互补金属氧化物半导体(CMOS)、液晶显示系统(LCD)、高分辨成像等领域广泛应用的重要光学元件。目前应用在CMOS芯片上的主要是由能够发射三基色的有机染料组成的颜色滤波器。然而，有机染料本身存在诸多限制：在高温及紫外光照射下，易分解失效；由于染料分子的吸收系数较低，往往滤波器的厚度都做得较大；三基色的有机染料分子要分层制备，流程复杂，应用上不方便且会导致像素点尺寸偏大。而基于金属表面等离子体(SP)的颜色滤波器仅仅通过调制其物理结构的参数就可以方便地改变滤出颜色，且不会受到高温或者紫外光照射的影响而丧失选频特性。同时，金属表面等离子体的特性也使器件的尺寸可以做到非常薄，克服了有机染料分子的诸多缺点。

1998年Ebbesen教授首次在《自然》杂志上报道了光的异常透射现象，揭示了在光与亚波长金属结构的相互作用中，表面等离子体起了至关重要的作用。2003年，Barnes和Ebbesen在《自然》杂志上发表题为《Surface plasmon Subwavelength optics》的文章，正式提出了“表面等离子体亚波长光学”的概念，并从此成为全世界研究的热点。目前来说，基于金属纳米孔洞阵列的颜色滤波器虽然具有偏振无关性，但是其单色性差、滤色色域不广的特点极大地限制了其在高分辨、高对比度显示的应用(Cheng F,Gao J,Luk T S,et al.Structural color printing based on plasmonic metasurfaces of perfect light absorption[J].Scientific Reports,2015,5:11045.)；基于周期金属纳米颗粒的颜色滤波器工艺复杂，颜色选择比低(Wang L,Ng R J H,Dinachali S S,et al.Large Area Plasmonic Color Palettes with Expanded Gamut Using Colloidal Self-Assembly[J].2016.)；基于金属-半导体-金属谐振光栅的颜色滤波器虽然品质因子较高，但是器件厚度大，制作工艺复杂，阻碍了其在光电集成领域的发展(Xu T,Wu Y K,Luo X,et al.Plasmonic nanoresonators for high-resolution colour filtering and spectral imaging[J].Nature Communications,2010,1(5):59.)。

基于单层金属光栅耦合波导结构的颜色滤波器可以实现高效选频。利用银光栅耦合氮化硅波导结构的研究结果表明(Kaplan A F,Xu T,Guo L J.High efficiency resonance-based spectrum filters with tunable transmission bandwidth fabricated using nanoimprint lithography[J].Applied Physics Letters,2011,99(14):143111.)，金属光栅的衍射作用可以为光波提供波导中的横向波矢，满足传播条件的光波在波导结构中产生共振并辐射到远场，实现了透射峰值，透过率达到70％以上。同时，金属表面等离子体造成了低透射频段强烈的吸收与反射，实现了高效的可见光选频。值得一提的是，只需要改变金属光栅的结构参数(周期，占空比等)，就可以实现对所有可见光波段的滤波。另外，对银光栅的偏振选择性研究表明(Duempelmann L,Luudinh A,Gallinet B,et al.Four-Fold Color Filter Based on Plasmonic Phase Retarder[J].2015.)，不同偏振态的入射光会使滤出颜色发生变化，这种偏振选择性在LCD液晶显示系统中有重要的应用。

由上述研究可知，金属纳米光栅耦合波导结构的颜色滤波器具有制作工艺相对简单，透过率高以及滤出颜色色域广等特点，在超高分辨率成像、光学传感以及CMOS数字集成电路有广泛的应用。但是，这种滤波器往往受到基底的限制，导致其厚度往往在毫米量级，很难实现微米甚至纳米量级的器件集成。另外，银光栅成本较高，且在空气中暴露时间长易被氧化，使器件丧失性能，往往需要利用聚合物保护，增加了工艺的繁琐性且容易影响滤波效果。

发明内容