氮化铝基的导模共振多通道滤光器及其制备方法
【专利说明】 氮化铝基的导模共振多通道滤光器及其制备方法
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技术领域
[0002]本发明属于信息材料与器件技术领域，涉及氮化铝基的导模共振多通道滤光器及其制备方法。
[0003]
【背景技术】
[0004]氮化铝是II1- V族共价化合物，是II1- V族中能隙值(约6.2eV)最大的半导体。氮化铝材料化学稳定性佳、熔点高、机械强度高、电绝缘性能佳。由于其薄膜具有高折射率，高透过率，低消光系数等特点，使其在机械、微电子、光学等领域有着广阔的应用前景。
衍射光栅的导模共振是指当入射波长、入射角或介质参数作很小的改变时，衍射波能量发生很大变化的现象。导模共振是由于衍射光栅可以看作周期调制的平面波导，当光栅内高级次传播波在参数上与光栅波导所支持的导模接近时，光波能量重新分布，由于光栅的周期调制性使得光栅波导有泄漏，因而泄漏波能量也将重新分布，形成导模共振。利用导模共振效应的高衍射效率和窄带性质，可以设计制作高反射器、高透射器以及窄带滤光器等光学元件。
[0005]现有的导模共振多通道滤光器主要是针对垂直入射的光，通过增加滤光器结构层数或者增加波导层的厚度来实现多个模式的共振，从而达到多通道滤光的效果。这些技术设计方法繁琐，制作工艺复杂。
[0006]
【发明内容】
[0007]技术问题:本发明提供一种可实现可见光波段内的多通道滤光，并且实现了通道数和通道位置可控的氮化铝基的导模共振多通道滤光器，该滤光器在非垂直入射的情况下，在特定角度也能产生谐振峰。本发明同时提供一种制备该滤光器的方法。
技术方案:本发明的一种氮化铝基的导模共振多通道滤光器，以硅基氮化铝晶片为载体，包括硅衬底层、设置在硅衬底层上的氮化铝波导层、设置在氮化铝层波导层上的氮化铝光栅，硅衬底层中设置有一个从底部贯穿至氮化铝波导层下表面的空腔，氮化铝光栅由多排不同周期的线性光栅纵向平铺排列，依次连接而成。
[0008]本发明滤光器的优选方案中，氮化铝层波导层上设置有氮化铝器件层，分为光栅设置区、位于所述光栅设置区两侧的边缘区，所述边缘区与光栅设置区之间有隔离槽，边缘区与光栅设置区通过支撑结构连接，光栅设置区下方对应的部分硅衬底层完全刻蚀为空腔，所述空腔的侧壁与上方的边缘区连接。
[0009]本发明滤光器的优选方案中，氮化铝光栅中的线性光栅为线性亚波长周期性光栅。
[0010]本发明滤光器的优选方案中，氮化铝层波导层的厚度为200nm-1000nm。
[0011]本发明滤光器的优选方案中，通过改变氮化铝光栅中每个光栅的周期，实现可见光波段多通道滤光器的通道位置可调。
[0012]本发明滤光器的优选方案中，通过改变氮化铝光栅中光栅的排数，实现导模共振多通道滤光器的通道数目可调。
[0013]本发明制备上述氮化铝基的导模共振多通道滤光器的方法，包括如下具体步骤:
1)在硅基氮化铝晶片的氮化铝层上表面旋涂一层电子束胶层，采用电子束曝光技术在所述电子束胶层上定义氮化铝器件层，所述氮化铝器件层包括光栅设置区、位于所述光栅设置区两侧的边缘区，所述边缘区与光栅设置区之间有隔离槽，边缘区与光栅设置区通过支撑结构连接；
同时在氮化铝器件层的光栅设置区中定义氮化铝光栅的器件结构，即多排纵向平铺排布的线性周期性光栅结构；
采用离子束轰击刻蚀技术将定义的氮化铝器件层和氮化铝光栅器件结构从电子束胶层转移到氮化铝层上，形成氮化铝光栅，然后利用氧气等离子灰化方法去除残余的电子束胶层；
2)在氮化铝光栅上旋涂一层光刻胶层，采用光刻对准技术，在光刻胶层上定义连接边缘区与光栅设置区的支撑结构；采用离子束轰击刻蚀技术将定义的支撑结构转移至氮化铝器件层，将边缘区和支撑结构区域外的氮化铝波导层刻穿，得到位于氮化铝器件层上的支撑结构，然后利用氧气等离子灰化方法去除残余光刻胶；
3)在氮化铝器件层的上表面再次旋涂一层光刻胶层，用以保护氮化铝光栅和支撑结构，同时在硅基氮化铝晶片的硅衬底层下表面旋涂一层光刻胶层；利用背后对准技术，在硅衬底层下表面的光刻胶层上打开一个刻蚀窗口；
4)将氮化铝波导层作为刻蚀阻挡层，利用深反应离子刻蚀技术，通过所述刻蚀窗口将硅衬底层贯穿刻蚀至氮化铝波导层的下表面，形成一个空腔，空腔的侧壁与边缘区对应连接；最后采用氧气灰化技术去除残余的光刻胶层，实现基于硅基氮化铝晶片的导模共振氮化铝光栅器件。
[0014]本发明方法的优选方案中，步骤2)中定义的氮化铝光栅器件结构为线性亚波长周期性光栅结构。
[0015]本发明方法的优选方案中，步骤I)中的氮化铝层的厚度为200nm-1000nm。
[0016]有益效果:本发明与现有技术相比，具有以下优点:
(I)现有的导模共振多通道滤光器是利用二维的光子晶体的导模共振，设计方法复杂，制作工艺繁琐。本发明的氮化铝基的导模共振多通道滤光器利用多个不同周期的光栅的导模共振效应，获得多个可控的共振峰，从而实现了可见光波段的多通道滤光，原理简单，制作工艺简洁。
[0017](2)光栅的排数的改变会改变导模共振的共振峰个数，本发明通过改变不同周期光栅的阵列排数，可以实现滤光器通道数的改变。
[0018](3)光栅的周期的改变会改变导模共振效应的共振峰所处波长位置，本发明通过改变光栅的周期，可以实现滤波器通道位置的改变。
[0019](4)现有的导模共振多通道滤光器主要是真对垂直入射的光，在非垂直入射情况下不会产生谐振峰，达到滤光效果。本发明的氮化铝基的导模共振多通道滤光器，在多个不同周期的光栅导模共振的共同作用，在垂直入射情况下，产生多个对称谐振峰，从而实现针对垂直入射光的滤光；在非垂直入射的情况下，在特定角度也能产生多个不对称谐振峰，从而实现针对非垂直入射光的滤光。
[0020] (5)现有的导模共振多通道滤光器是通过加厚波导层(100微米以上)来实现多个模式的共振，本发明的氮化铝基的导模共振多通道滤光器是利用多个单模共振的叠加，器件尺寸只有几个微米，易与硅微电子技术集成。
[0021 ] ( 6 )本发明发展背后工艺，通过光刻技术以及深硅刻蚀技术，完全刻蚀器件下方硅衬底材料，实现悬空器件，解决了硅材料的对出射光的吸收散射问题。
[0022](7)本发明中采用光刻技术定义支撑结构，有效解决了氮化铝薄膜层在刻蚀中产生的应力释放问题。
本发明基于高阻硅衬底氮化铝材料上，氮化铝材料与传统硅晶材料相比，在近红外特别是可见光波段具有优良的光学性能。
[0023]
【附图说明】
[0024]图1为本发明氮化铝基的导模共振多通道滤光器的俯视示意图；
图2为本发明氮化铝基的导模共振多通道滤光器的侧视示意图；
图3为本发明氮化铝基的导模共振多通道滤光器的制备工艺流程图；
图4为本发明氮化铝基的导模共振多通道滤光器的局部示意图。
[0025]图中有:硅衬底层1、氮化铝波导层2、氮化铝光栅3、光栅设置区21、边缘区22、支撑结构23。
[0026]
【具体实施方式】
[0027]下面结合说明书附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
如图1所示，本发明的氮化铝基的导模共振多通道滤光器的俯视示意图，在硅基氮化铝晶片上设置有一块圆形氮化铝器件区域，该圆形氮化铝器件区域底下硅衬底层I被完全刻蚀为空腔，为圆形氮化铝薄膜。圆形氮化铝薄膜区域中设置有方形的光栅设置区，光栅设置区的四边通过支撑结构与圆形氮化铝器件区域的边缘区22相连，圆形氮化铝器件区域中除光栅设置区21之外全部刻穿，由此形成光栅设置区21与边缘区22之间的被完全刻穿的隔离槽，光栅设置区21成为完全悬空的氮化铝光子器件。其中光栅设置区21是由多排不同周期的线性周期性光栅纵向平铺排列，依次连接而成，此处的一排光栅是在氮化铝层刻蚀出的一排周期性的光栅缝，在光栅缝的