基于硅衬底氮化物材料的集成光子器件及其制备方法

摘要

本发明公开了一种基于硅衬底氮化物材料的集成光子器件及其制备方法，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，还包括从下往上依次设置在所述顶层氮化物器件层上的一层氮化铝薄膜层和一层氧化铪薄膜层；所述氮化铝薄膜层具有一个贯穿其中的空腔；所述氧化铪薄膜层位于所述空腔上部的悬空部分具有光子器件结构；本发明还公开了一种基于硅衬底氮化物材料的集成光子器件结构的制备方法。本发明所设计的一种基于硅衬底氮化物材料的集成光子器件及其制备方法能够便于实现基于氮化物材料的集成光子器件的集成。

说明书

技术领域

本发明提供一种基于硅衬底氮化物材料的集成光子器件及其设计、制备方法，属于信息功能材料及器件技术领域。

背景技术

利用空气作为上下层的低折射率材料，大的折射率差异使悬空的纳米光子器件展示了优异的光学性能，可以作为单层的反射镜来代替传统的多层布拉格反射镜。集成于III族氮化物/硅晶片的悬空纳米光子器件，通过设计合适的器件结构参数，悬空的光子器件可以作为一个谐振腔，实现对氮化物材料发光光谱的波长选择，该集成氮化物光子器件已经成为当前的研究热点之一。同时，合适的器件结构不仅可以实现高的反射率，还可以实现对发射光的偏振控制。此外，器件结构更为紧凑，可以和微机电技术集成，实现可调的悬空纳米光子器件。氧化铪薄膜材料在可见光波段具有优异的光学性能，其大的氧化铪/空气折射率差异使氧化铪薄膜材料适宜制备可见光波段的集成光子器件。采用选择性湿法刻蚀工艺，在不引入刻蚀损伤的前提下，获得集成于III族氮化物/硅晶片上悬空的氧化铪纳米光子器件，用以取代传统的顶层布拉格反射镜，是集成氮化物光子器件的一个重要发展方向。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够便于实现集成的基于氮化物材料的集成光子器件的结构及其设计、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材料的集成光子器件，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：

还包括从下往上依次设置在所述顶层氮化物器件层上的一层氮化铝薄膜层和一层氧化铪薄膜层；

所述氮化铝薄膜层具有一个贯穿其中的空腔；

所述氧化铪薄膜层位于所述空腔上部的悬空部分具有光子器件结构。

作为本发明的一种优化结构：所述氧化铪薄膜层悬空部分的上表面和下表面分别具有低折射率空气介质；

作为本发明的一种优化结构：所述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：所述光子器件结构为悬空氧化铪线形光栅结构。

本发明还设计了一种基于硅衬底氮化物材料的集成光子器件的制备方法，选择硅衬底III族氮化物晶片作为实现载体，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，包括如下步骤：

步骤（1）：采用溅射沉积的方法在所述硅衬底III族氮化物晶片顶层氮化物器件层的上表面溅射沉积一层氮化铝薄膜层；

步骤（2）：采用电子束蒸发技术在所述氮化铝薄膜层上表面沉积一层氧化铪薄膜层；

步骤（3）：在所述氧化铪薄膜层的上表面旋涂一层电子束光刻胶层：

步骤（4）：采用电子束曝光技术在所述电子束光刻胶层定义纳米光电子结构；

步骤（5）：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铪薄膜层，并在所述氮化铝薄膜层打开一个与所述纳米光子器件结构对应的刻蚀窗口；

步骤（6）：采用湿法刻蚀的方法将所述氮化铝薄膜层贯穿刻蚀至所述III族氮化物薄膜层的上表面；

步骤（7）：采用氧气等离子体工艺去除残余光刻胶。

作为本发明的一种优化方法：所述步骤（6）包括如下具体操作：

步骤（61）：将所述氧化铪薄膜层作为刻蚀掩膜层；

步骤（62）：采用NMD-3碱性刻蚀剂将所述氮化铝薄膜层贯穿刻蚀至所述顶层氮化物器件层的上表面。

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.本发明利用氧化铪材料和空气的大折射率差异，使悬空氧化铪纳米器件结构对光场有很强的限制作用，可以实现光波与悬空氧化铪光子器件的交互作用。

2.本发明引入氮化铝薄膜作为牺牲层，通过特有的湿法刻蚀技术，去除氮化铝薄膜，形成空气间隙，实现集成于III族氮化物/硅晶片上的悬空氧化铪谐振光子器件。

3.悬空氧化铪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，悬空氧化铪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；

5.利用氮化物材料的发光特性，可以实现集成光子器件。

附图说明

图1是本发明所设计的基于硅衬底氮化物材料的集成光子器件的结构简图。

图2为本发明基于硅衬底氮化物材料的集成光子器件的制造工艺流程图.

图3是氧化铪/氮化铝/III族氮化物/硅衬底材料结构示意图。

图4是集成于III族氮化物/硅晶片上的悬空氧化铪光子晶体器件。

图5是集成于III族氮化物/硅晶片上的悬空氧化铪圆形光栅器件。

图6是集成于III族氮化物/硅晶片上的悬空氧化铪纳米线器件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示：本发明设计了一种基于硅衬底氮化物材料的集成光子器件，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：

还包括从下往上依次设置在所述顶层氮化物器件层上的一层氮化铝薄膜层和一层氧化铪薄膜层；

图3所示为氧化铪/氮化铝/III族氮化物/硅衬底材料结构示意图；

所述氮化铝薄膜层具有一个贯穿其中的空腔。

所述氧化铪薄膜层位于所述空腔上部的悬空部分具有光子器件结构。

图4所示为集成于III族氮化物/硅晶片上的悬空氧化铪光子晶体器件。

作为本发明的一种优化结构：所述氧化铪薄膜层悬空部分的上表面和下表面分别具有低折射率空气介质。

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

图5所示为集成于III族氮化物/硅晶片上的悬空氧化铪圆形光栅器件。

作为本发明的一种优化结构：所述光子器件结构为悬空氧化铪线形光栅结构。

图6所示为集成于III族氮化物/硅晶片上的悬空氧化铪纳米线器件。

如图2所示：本发明还设计了一种基于硅衬底氮化物材料的集成光子器件的制备方法，选择硅衬底III族氮化物晶片作为实现载体，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，包括如下步骤：

步骤（1）：采用溅射沉积的方法在所述硅衬底III族氮化物晶片顶层氮化物器件层的上表面溅射沉积一层氮化铝薄膜层；

步骤（2）：采用电子束蒸发技术在所述氮化铝薄膜层上表面沉积一层氧化铪薄膜层；

步骤（3）：在所述氧化铪薄膜层的上表面旋涂一层电子束光刻胶层：

步骤（4）：采用电子束曝光技术在所述电子束光刻胶层定义纳米光电子结构；

步骤（5）：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铪薄膜层，并在所述氮化铝薄膜层打开一个与所述纳米光子器件结构对应的刻蚀窗口；

步骤（6）：采用湿法刻蚀的方法将所述氮化铝薄膜层贯穿刻蚀至所述III族氮化物薄膜层的上表面；

步骤（7）：采用氧气等离子体工艺去除残余光刻胶。

作为本发明的一种优化方法：所述步骤（6）包括如下具体操作：

步骤（61）：将所述氧化铪薄膜层作为刻蚀掩膜层；

步骤（62）：采用NMD-3碱性刻蚀剂将所述氮化铝薄膜层贯穿刻蚀至所述顶层氮化物器件层的上表面。