一种制备二维光子晶体或光子准晶的方法

摘要

本发明公开了一种制备光子晶体或光子准晶的方法，包括如下步骤：1)根据需要，设计出具有周期性二维光子晶体或准周期性光子准晶的图形结构；2)将待加工样品固定在聚焦离子束系统的样品台上，使其与样品台形成良好的电学接触和机械稳定性；3)在样品的待加工区域生成光子晶体或光子准晶图形结构；4)设置聚焦离子束系统的工作参数；调控聚焦离子束，得到所需刻蚀精度要求的离子束探针；在样品的待加工区域直接刻蚀出所需的二维光子晶体或光子准晶。本发明以聚焦离子束刻蚀技术的一次性工艺步骤代替了传统的亚微米加工技术的一系列工艺步骤，既简化了工艺步骤，又可灵活快捷地得到复杂多变的各种光子晶体和光子准晶。

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备二维光子晶体或光子准晶的方法，特别是涉及一种应用FIB技术在发光二极管上直接刻蚀形成二维光子晶体或光子准晶的方法。

背景技术

光子晶体是介质折射率在波长尺度范围内发生周期性变化从而可产生光子带隙的微结构材料。理论和实验证实，就像利用半导体来操纵电子那样，人们可利用光子晶体来操纵光子，从而制造出各种新型的微、纳米光子学器件。准晶是一类新的有序结构，具有高阶转动对称性和线对称性但不具备平移对称性。由准晶组成的光子晶体就是光子准晶，其倒格空间点阵排列的特性带来了对光的布拉格散射和光子带隙的新特点，使人们有可能在更大的自由度上来操纵光子的行为。但是由于光学波长是微米量级，如何制备出亚微米尺度的光子晶体或光子准晶并进一步应用于光学器件上，从实验上、技术上对人们都是极大的挑战。

已有的研究结果表明，光子晶体结构的实现，一方面为人们揭示和探索物质与光相互作用的深刻物理内涵提供了可能性；另一方面，也为发展新的交叉学科、开创各种新型光子学器件和回路提供新思路和新方法。比如利用光子带隙控制光的行为可研制各种微型波导和微腔实现各种新功能光子器件；又如在发光二极管表面引入二维光子晶体微结构有助于将由于被内部全反射而禁锢在器件内的光释放出来。

宽禁带GaN基半导体是目前新兴第三代半导体中最重要的材料系，是发展可见光到紫外的短波长发光二极管和激光器以及高温高速微电子器件的重要材料系。对于传统的GaN基发光二极管，由于GaN与空气，蓝宝石与空气存在一定的折射率差，由内部全反射的影响导致发光二极管的发光效率很低，约8％。大部分的光被限制在器件中变为导波模式，最后被材料吸收损耗。因此，利用光子晶体和光子准晶是将导波模式转变为出光模式，可大幅提高半导体发光二极管的出光效率。但是所需制备的光子晶体和光子准晶的尺寸在微米、亚微米量级，特别对于化学性质稳定的GaN材料，其各种结构和图形的刻蚀非常困难，因此要制备出亚微米尺度的GaN基微结构及其光子晶体结构具有很大的难度。至今国际上报道的GaN基二维光子晶体，如GaN柱组成石墨结构的光子晶体[[1]David Peyrade.et al.，Fabrication of GaN photonic crystals for400nm wavelength，Microelectronic Eng.57-58 2001，843-849]以及由刻蚀小孔而组成三角形晶格结构的GaN光子晶体[[2]T.N.Oder，K.H.Kim，J.Y.Lin，and H.X.Jiang，III-nitrideblue and ultraviolet photonic crystal light emitting diodes，Appl.Phys.Lett.84 2004，466-468；[3]J.J.Wierer，M.R.Krames，J.E.Epler，N.F.Gardner，and M.G.Craford et al.，InGaN/GaNquantum-well heterostructure light-emitting diodes employing photonic crystal structures，Appl.Phys.Lett.84 2004，3885-3887；[4] Aurélien David，Tetsuo Fujii，Elison Matioli，Rajat Sharma，Shuji Nakamura，Steven P.DenBaars，Claude Weisbuch，and Henri Benisty，GaN light-emittingdiodes with Archimedean lattice photonic crystals Appl.Phys.Lett.88，2006，073510；[5]Aurélien David，Tetsuo Fujii，_ Brendan Moran，Shuji Nakamura，Steven P.DenBaars，ClaudeWeisbuch and Henri Benisty，Photonic crystal laser lift-off GaN light-emitting diodes，Appl.Phys.Lett.88，2006，133514]等，都是采用传统的亚微米结构加工方法，即经由电子束曝光、掩膜沉积与干法刻蚀相结合的繁复工艺与技术研制而成的。也就是说样品需要经过电子束曝光技术的匀胶、电子束在胶上写出图形、显影；真空沉积制备刻蚀所需的掩膜以及干法刻蚀等一系列繁琐而复杂的工艺步骤将所需的微细结构的图形有效地转移到样品上去。这些方法制备步骤多，工艺复杂，工序繁复、周期长、技术难度大。为此，本发明提出一种采用聚焦离子束刻蚀技术来制备二维光子晶体或光子准晶的快捷灵活而有效的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种工序简单、快捷有效、一步到位形成二维光子晶体或光子准晶的方法。

本发明制备光子晶体或光子准晶的方法，包括如下步骤：

1)设计出具有周期性二维光子晶体或准周期性光子准晶的图形结构；

2)将待加工样品固定在聚焦离子束系统的样品台上，使其与样品台形成良好的电学接触和机械稳定性；

3)在样品的待加工区域生成光子晶体或光子准晶图形结构；

4)设置聚焦离子束系统的工作参数；调控聚焦离子束，得到所需刻蚀精度要求的离子束探针；在样品的待加工区域直接刻蚀出所需的二维光子晶体或光子准晶。

对于难于加工的GaN基发光二极管，采用本发明方法一次即可以得到二维光子晶体或光子准晶。

其中，步骤3)生成图形结构的方法有多种，比较常用的有直接设定法、图形转换法、图案文件法或自动脚本法等：

直接设定法，是在样品的加工区域，直接在聚焦离子束系统的显示屏界面上画出需要刻蚀的图形结构。

图形转换法，是将要制备的图形用画图软件画出，保存为.BMP格式的文件，再将该文件通过聚焦离子束系统中的图形转换软件生成格式为.str的可识别文件，调用这个文件，将准备刻蚀的象素点显示在待加工的区域。

图案文件法，将需要刻蚀的点的坐标和刻蚀条件等参数通过编程软件(如：Delphi)生成，并保存为聚焦离子束系统可以识别的.pat格式的pattern文件，刻蚀时，调用该文件，将准备刻蚀的图形显示在样品的待加工区域。

自动脚本法，是通过编写控制离子束或样品台移动的脚本文件，将要刻蚀的点的坐标、放大倍数和刻蚀参数均保存在格式为.PSC脚本文件中，在样品的待加工区域运行该脚本文件，在该区域完成刻蚀。

聚焦离子束(FIB)技术能实现离子束的图形化刻蚀和图形化诱导沉积。其主要功能包括：离子束诱导沉积直接进行微米甚至纳米尺度的图形化掩膜保护(沉积材料有金属Pt、W和绝缘材料SiO₂)；在刻蚀区直接用CAD生成刻蚀图形；数字扫描控制的聚焦精细的高能离子束进行图形化直写式刻蚀；用气体选择刻蚀方式进行选择性刻蚀和精细修补；利用该系统的电子束成像技术对刻蚀结果进行原位观察，可对刻蚀形状做即时反馈等。整个过程都是在FIB系统的样品室中一次完成。

FIB的刻蚀原理是利用高能聚焦离子束轰击样品，使样品中的原子从表面溅射出来，以物理的方式进行刻蚀加工。它是以直写的方式将设计好的图形刻在需要加工的区域，与湿法腐蚀和RIE、ICP、CAIBE等干法刻蚀相比，不需要复杂的掩膜和图形转移等步骤，避免了图形转移过程中的失真现象；此外，它对多元合金材料系不同组分的材料的刻蚀速率比较接近，对多层结构材料系在纵深方向可以得到光滑的刻蚀界面，这一点亦非常不同于湿法腐蚀和其它的干法刻蚀技术；特别是当采用较小的离子束流时，可以使FIB加工的线宽减小到几十nm，同时保持很好的深宽比。

本发明以聚焦离子束刻蚀技术来制备二维光子晶体或光子准晶，可直接在半导体样品上灵活快捷并且一次性完成二维光子晶体和光子准晶结构的制作，省略了现有技术在样品上制作亚微米尺度图形结构不可缺少的电子束曝光、蒸镀刻蚀掩膜、干法刻蚀等多项工艺步骤，既简化了工艺步骤，又可灵活快捷地得到复杂多变的各种光子晶体和光子准晶，如不同阶对称(如三阶、五阶、八阶、十二阶对称等)的、不同堆砌组合而成的光子晶体和光子准晶。本发明方法可运用于研制各种新型发光二极管，能有效地改进发光二极管的出光效率，还可望用于研制各种微光子学元器件、波导和未来的集成光子学回路。

具体而言，本发明的主要优点：

1)制备方法简单易行，一次完成了多个步骤所需达到的效果，简化了工艺步骤；

2)尤其是解决了GaN基材料系光子晶体和光子准晶制作的难点；

3)本发明方法不仅可应用于GaN基发光二极管，而且也可用于其它各种波段和材料系的半导体发光二极管及其微型光子元器件和集成光路的制作、研究和生产。

附图说明

图1未经聚焦离子束刻蚀的典型的半导体发光二极管结构示意图；

图2拟用聚焦离子束刻蚀的半导体发光二极管剖面结构示意图

图3各种典型的二维光子晶体或光子准晶结构图；

(a)二阶对称的光子晶体(四方晶格)

(b)三阶对称的光子晶体(三角晶格)

(c)由等边三角形和正方形随机组合生成的微结构

(d)八阶对称的光子准晶

(e)十二阶对称的光子准晶

图4采用聚焦离子束刻蚀制备了半导体/空气组合二维光子晶体或光子准晶的发光二极管剖面示意图

图5采用直接设定法聚焦离子束刻蚀得到的GaN柱状二阶对称四方晶格二维光子晶体结构扫描电镜像

图6采用图形转换法聚焦离子束刻蚀得到的GaN孔状八阶对称光子准晶结构扫描电镜像

图7采用图案文件法聚焦离子束刻蚀得到的GaN孔状十二阶对称光子准晶结构扫描电镜像

示意图中标记说明如下：1---蓝宝石衬底2---n型GaN 3---InGaN/GaN多量子阱有源层4---p型GaN 5---p型欧姆接触电极6---n型欧姆接触电极7--聚焦离子束刻蚀的光子晶体或光子准晶区域；8--半导体/空气组成二维光子晶体或光子准晶中刻蚀成的空气孔；9-二维光子晶体或光子准晶中留下未刻蚀的半导体部分。

具体实施方式

聚焦离子束(FIB)刻蚀是上世纪90年代才应用于微加工的一种先进的干法刻蚀技术，它在无需掩膜的情况下将直写式深亚微米尺度微结构图形的产生与刻蚀的工艺合而为一，从而具有一次性完成样品微细结构图形加工的独特优点，是一种设计灵活、精度很高而工艺简单、快捷的微加工技术。

应用FIB技术，可以在氮化物发光二极管上加工出二维光子晶体或光子准晶。常用的氮化物发光二极管为GaN基发光二极管，其结构如图1和图2所示。半导体发光二极管管芯是由金属有机化合物气相沉积(MOCVD)技术外延生长而成的多层结构，其发光的有源层由多量子阱组成，有源层夹在P型和N型层的中间。通过常规的半导体微加工工艺制作出电极，并且得到分立的管芯芯片。

本发明利用FIB技术来制备二维光子晶体或光子准晶的方法，包括以下主要内容和步骤：

1)设计出具有常规周期性二维光子晶体或准周期性光子准晶的具体图形结构。如图3所示，光子晶体结构可以是二阶对称(即方形或矩形)点阵(图3(a))，三阶对称(即三角形)点阵(图3(b))等；而光子准晶结构可以是八阶对称(图3(d))，十二阶对称(图3(e))等。值得指出的是，可以制备的结构并不限于图3所列出的几种，任何由突多边形拼砌而成，相邻多边形的边缘互相共享，按多种形式堆砌而成的结构均可方便的设计出来。例如，由正方形和等边三角形单元或由两种菱形单元以某种对称操作或Stampfli inflation方式或无序方式组合而成，其对称性可以选取五阶、八阶、十阶、十二阶以至二十阶或更高阶；还可以根据需要像铺地砖那样随意确定拼砌后覆盖面的形状或铺满整个平面或拼接成呈螺旋形或拼成环形。如图3(c)为等边三角形和正方形随机组合成的结构。

2)将待刻蚀的样品固定在样品台上，确保加工对象与样品台有良好的导电性和机械稳定性，以防止样品上电荷积累、充放电或机械漂移等对加工精度造成的负面影响。

3)在待加工区域生成拟刻蚀的图形。根据不同的图形和精度要求，可在直接设定法(实施例1)，图形转换法(实施例2)，图案文件法(实施例3)，自动脚本法(实施例4)中选择一种合适的方法使聚焦离子束产生所需设定的图形。

4)设置工作参数：

a)确定刻蚀半导体/空气二维光子晶体或光子准晶的基本形式，即刻蚀成空气柱(孔)或半导体柱点阵(或顶点)。根据容差要求和二维光子晶体或光子准晶的具体结构来确定周期、点阵间隔、点阵本身的形状和尺寸大小等；

b)根据加工要求确定合适的FIB加工条件和参数。具体包括离子束加速电压、束流大小的选择；离子束的入射角度的选择；放大倍数的选择；刻蚀图形的调用；辅助气体刻蚀的选择；各点驻留时间和束斑交叠比例的设定；刻蚀时间和深度的设定等。

如图4所示为聚焦离子束刻蚀了半导体/空气二维光子晶体或光子准晶后的发光二极管剖面结构图，其尺寸及深度由4)中的参数而定。

在加工过程中，对加工对象进行原位观测，可进一步用离子束进行恰当修改和后处理，以得到符合要求的二维光子晶体或光子准晶结构。

通过上述工艺步骤，一次性完成半导体材料或器件上二维光子晶体或光子准晶的刻蚀加工。在本发明中，所使用的聚焦离子束系统为Strata DB235电子-离子双束工作站(FIB)。该系统采用液态金属Ga⁺作为离子源，其加速电压通常设定为30kV。为了能在GaN基发光二极管上得到图形效果比较好的二维光子晶体或光子准晶，一般在如下的工作参数下进行加工：

离子束流可在10pA到3nA可调；可以选择I₂或XeF₂气体增强刻蚀；各点驻留时间范围在0.2μs到10μs之间；束斑交叠比例为-50％至50％等。

当然，本发明并不局限于上述聚焦离子束系统和所选择的工作参数，本领域技术人员完全可以根据需要选择能在GaN基发光二极管实现直接刻蚀的聚焦离子束系统和工作参数。

实施例1、

本实施方式中以单层GaN为加工对象，用FIB系统中的直接设定法制作二维光子晶体或光子准晶。

实例中使用的GaN材料是由金属有机化合物气相沉积(MOCVD)技术在蓝宝石衬底上外延生长而成的。

下面为利用FIB技术中直接设定法制备二维光子晶体或光子准晶的详细步骤：

1)将样品固定在样品台上，确保加工对象与样品台有良好的导电性和机械稳定性，以防止样品上电荷积累、充放电或机械漂移等对加工精度造成的负面影响。

2)在加工的区域，直接在FIB系统显示屏界面上，画出需要刻蚀的结构，如图5中是FIB刻蚀得到的GaN柱状二阶对称的光子晶体结构。

3)设置加工参数：

在待加工区域选择合适的放大倍数，选择适当的离子束束流，通过聚焦，消象散，得到所需刻蚀精度要求的离子束探针。如选择束流为300pA，放大倍数为20kx；

选择刻蚀条件，如各点驻留时间为0.2s，束斑交叠比例为0％，刻蚀时间为2min采用XeF₂增强刻蚀等。

在加工过程中，对加工对象进行原位观测，再进一步进行恰当修改和后处理，以得到符合要求的二维光子晶体或光子准晶结构，如图5。

实施例2、

本实施方式中以单层GaN为加工对象，用FIB系统中的图形转换法制作二维光子晶体或光子准晶。

实例中使用的GaN材料是由金属有机化合物气相沉积(MOCVD)技术在蓝宝石衬底上外延生长而成的结构。

下面为利用FIB技术中图形转换法制备二维光子晶体和光子准晶的详细步骤：

1)将样品固定在样品台上，确保加工对象与样品台有良好的导电性和机械稳定性，以防止样品上电荷积累、充放电或机械漂移等对加工精度造成的负面影响。

2)将要制备的图形用画图软件画出，保存为.BMP格式的文件，再将这种BMP图形文件通过FIB系统中的图形转换软件生成格式为.str的可识别文件，调用这个文件，将准备刻蚀的象素点显示在待加工的区域。

3)设置加工参数：

在待加工区域选择合适的放大倍数，选择适当的离子束束流，通过聚焦，消象散，得到所需刻蚀精度要求的离子束探针。如选择束流为100pA，放大倍数为15kx。

选择刻蚀条件，如选取各点驻留时间为1μs，束斑交叠比例为50％，刻蚀时间为10min等条件。

在加工过程中，对加工对象进行原位观测，进一步进行恰当修改和后处理，以得到符合要求的二维光子晶体或光子准晶结构，如图6即为FIB刻蚀得到的GaN孔状八阶对称光子准晶结构。

实施例3、

本实施方式中以单层GaN为加工对象，用FIB系统中的图案文件法制作二维光子晶体或光子准晶。

实例中使用的GaN材料是由金属有机化合物气相沉积(MOCVD)技术在蓝宝石衬底上外延生长而成的结构。

下面为利用FIB技术中图案文件法制备二维光子晶体和光子准晶的详细步骤：

1)将样品固定在样品台上，确保加工对象与样品台有良好的导电性和机械稳定性，以防止样品上电荷积累、充放电或机械漂移等对加工精度造成的负面影响。

2)通过编程软件(如：Delphi)，将需要刻蚀的点的坐标及该点的刻蚀条件：如驻留时间，束斑交叠比例，刻蚀时间，辅助气体等参数编程形成待刻图形，并保存为聚焦离子束系统可以识别的.pat格式文件。刻蚀时，调用这个文件，将准备刻蚀的图形显示在待加工区域。

3)设置加工参数：

在待加工区域选择合适的放大倍数，选择适当的离子束束流，通过聚焦，消象散，得到所需刻蚀精度要求的离子束探针。如选择束流为100pA，放大倍数为15kx。

在加工过程中，对加工对象进行原位观测，进一步进行恰当修改和后处理，以得到符合要求的二维光子晶体或光子准晶结构，如图7即为FIB刻蚀得到的GaN孔状十二阶对称的光子准晶结构。

实施例4、

本实施方式中以单层GaN为加工对象，用FIB系统中的自动脚本法制作二维光子晶体或光子准晶。

实例中使用的GaN材料是由金属有机化合物气相沉积(MOCVD)技术在蓝宝石衬底上外延生长而成的结构。

下面为利用FIB技术中自动脚本法制备二维光子晶体和光子准晶的详细步骤：

1)将样品固定在样品台上，确保加工对象与样品台有良好的导电性和机械稳定性，以防止样品上电荷积累、充放电或机械漂移等对加工精度造成的负面影响。

2)通过编写脚本文件，控制离子束或样品台在两个方向移动，将要刻蚀的点的坐标，放大倍数，刻蚀的参数均保存在格式为.PSC脚本文件中，在样品的待加工区域运行脚本文件，即可以在待加工区域形成所需图形结构。以下给出了一个简单的脚本文件示例。

3)设置工作参数：

在待加工区域选择合适的放大倍数，选择适当的离子束束流，通过聚焦，消象散，得到所需刻蚀精度要求的离子束探针。如选择束流为100pA，放大倍数为10kx。

对加工对象进行原位观测，进一步进行恰当修改和后处理，以得到符合要求的二维光子晶体或光子准晶结构。

脚本文件示例：

#script to mill holes for Scripps

#MWW 09/26/01

x＝0

z＝0

y＝0

depth＝0.014

clear

setbeamshift x，0

setaperture 1

setmag 10000

mill：

clear

setpatinfo depth，Si.MTR

circle 0，0，0，1

mill

z＝z+1

sleep 50

x＝(x-5)

setbeamshift x，y

if(z＝6)goto switch

goto mill

switch：

z＝0

y＝(y+5)

x＝0

setbeamshift x，y

goto mill

尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，其实，在用FIB研制不同材料系的半导体/空气二维光子晶体和光子准晶中，由于GaN发光波长最短，要求加工的光子晶体和光子准晶尺度最小，同时又由于GaN基材料系化学性质稳定，难以用常规的方法进行刻蚀，因而GaN基的二维光子晶体和准晶的制作难度最大，而本发明中我们所采用以制作GaN基二维光子晶体和光子准晶实施例技术取得了成功，当然这种技术也适用于波长更长的其它波段的半导体光子晶体和准晶的研制。所以本领域的技术人员有必要指出：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。