[发明专利]一种有源蓝光集成型光子晶体折射率传感器及制备方法

说明书

本发明公开了一种有源蓝光集成型光子晶体折射率传感器及制备方法，本发明利用负热光系数的TiO₂光子晶体层补偿正热光系数的GaN薄膜，降低了温度变化对折射率测量的影响，提高传感器的稳定性；GaN薄膜设计为悬空结构，空气包覆层提高TiO₂光子晶体层的限制因子，使传感器获得高灵敏度。在GaN薄膜内嵌入MQW_S层作为发光源，使传感器不需要外置光源，实现单片有源集成。

技术领域

本发明公开了一种有源蓝光集成型光子晶体折射率传感器及制备方法，涉及属于光子传感器器件领域。

背景技术

近些年来，各种光学折射率传感器被开发出来用于传感应用，其中光学微腔具有高品质因子与小模式体积的特点，可以实现超高灵敏度与低检测阈值，被认为是很好的光学检测平台。光学微腔的主要类型包括回音壁模式腔、法布里-珀罗腔与光子晶体腔。由于回音壁模式光学微腔与周围介质之间存在较大的折射率差，光学微腔的模场大部分集中在腔内，导致折射率传感器的灵敏度一般较低；法布里-珀罗腔的加工程序相对复杂，灵敏度也较低。

近年来，一些多参量的光子晶体气体传感器陆续被提出，但存在对检测器精度要求较高或较大的占位面积与制造难度等问题；由于热光效应的存在，热吸收与热膨胀会改变介质的折射率，间接使折射率传感器产生误差，稳定性与准确性低；同时现有的光子晶体折射率多工作在通信波段，通信波段光波在水中的损耗较大，不适合对液体分析物的检测；此外现有的光子晶体气体折射率传感器，一般需要外置光源，从而系统的复杂度提高与体积较大。

发明内容

本发明针对上述背景技术中的缺陷，提供一种有源蓝光集成型光子晶体折射率传感器及制备方法，结构简单，性能优异，制备简单。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种有源蓝光集成型光子晶体折射率传感器，包括：硅衬底层、缓冲层、底部氮化镓层、有源层、顶部氮化镓层和光子晶体层；所述的硅衬底层上依次为：缓冲层、底部氮化镓层、有源层、顶部氮化镓层、光子晶体层，光子晶体层为一定厚度二氧化钛层介质材料；

所述的硅衬底层、缓冲层和底部氮化镓层背面中心进行刻蚀和减薄成悬空区，悬空区的硅衬底层、缓冲层全部刻蚀掉，底部氮化镓层保留的厚度为10~200 nm。

进一步的，所述的光子晶体层包括：无缺陷型光子晶体结构和有缺陷空气型光子晶体结构以及有缺陷介质型光子晶体结构；

所述的无缺陷型光子晶体结构包括：空气孔在二氧化钛介质材料上呈二维周期性排列；

所述的有缺陷空气型光子晶体结构包括：空气孔在二氧化钛介质材料上呈二维周期性排列，中心区域有孔缺失；

所述的有缺陷介质型光子晶体结构包括：二氧化钛介质柱呈周期性排列，中心区域有介质柱缺失。

进一步的，空气孔或介质柱为圆形或三角形或四边形；空气孔或介质柱的二维排列方式呈正方晶格或三角晶格或蜂窝状晶格；光子晶体的晶格常数为50~300nm，孔直径为20~100nm。

进一步的，所述的光子晶体层厚度为：250~800 nm，具备显著性的高折射率调控光场分布的性能，从而使光场在光子晶体中就有较高的限制因子。

进一步的，所述的底部氮化镓层厚度为10~200 nm，所述顶部氮化镓层厚度为10~200 nm，使得光场更多分布于光子晶体层，从而使光场在光子晶体中就有较高的限制因子。

进一步的，所述有源层为InGaN/GaN成对组成的多层量子阱有源层，所述有源层的QW对数为3~9，一对QW包括：2.5nm 厚度的InGaN和12nm厚度的GaN，所述InGaN的In含量为：10%，保证了高效的蓝光波段发光。

一种光子晶体折射率传感器制备方法，包括以下步骤：

步骤（1）：在GaN表面生长一定厚度二氧化钛层；