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与流程

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。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种铝光栅耦合薄膜波导的可见光颜色滤波器，具有厚度超薄、性能稳定、高透射率的特点。本发明的另一个目的是提供一种该颜色滤波器的工艺简单、调控方便的制备方法。

本发明的目的是通过以下的技术方案实现的：

基于铝光栅耦合氮化硅薄膜波导的颜色滤波器，包括空气衬底、氮化硅薄膜、二氟化镁薄膜和铝光栅，其中，二氟化镁薄膜覆盖在氮化硅薄膜上，铝光栅设置在二氟化镁薄膜表面；所述氮化硅薄膜的厚度为100nm。

进一步地，所述二氟化镁薄膜的厚度为0-50nm。

进一步地，所述铝光栅的厚度为30-50nm，周期为260nm-530nm，占空比为0.6-0.8。

本发明上述基于铝光栅耦合氮化硅薄膜波导的颜色滤波器的制备方法，包括如下步骤：

a.采用厚度为100nm的氮化硅薄膜窗口作为基本框架，将氮化硅薄膜固定于电子束蒸镀设备的镀膜腔内上方的样品架上，并且放置二氟化镁坩埚和铝坩埚，检查腔室门密封圈无误后手动抽真空；

b.待观测到镀膜腔内真空度达到10^-6Torr低端时，打开蒸发高压软件，设置材料和蒸发参数；打开电子束电源和高压开关；等待一分钟，打开蒸发源挡板，开启衬底旋转，用坩埚控制器选择二氟化镁坩埚作为靶坩埚；

c.加2mA微弱电流并确定电子束束斑在坩埚内后，调整坩埚控制器使得束斑处于坩埚中心位置并且调整束斑参数；缓慢增大电流，当仪器上显示蒸发速率达到0.1nm/s时，手动点击蒸发高压软件，打开蒸发源挡板后，开始蒸发；

d.当蒸镀一定厚度的二氟化镁薄膜后，停止蒸发；手动缓慢减小电流至零，关闭高压，等待15分钟；

e.调节坩埚控制器，旋转坩埚，将坩埚换为铝坩埚，重复步骤c；

f.当蒸镀一定厚度的铝膜后，停止蒸发；手动缓慢减小电流至零，关闭高压，关闭高压软件，等待15分钟后关闭电子束电源；破真空放电并取出样品及坩埚，将样品保存在手套箱内；

g.将步骤f蒸镀好的覆有二氟化镁和铝膜的氮化硅窗口置于聚焦离子束加工系统中；待真空度达到要求，设置加工材质和加工深度，调整离子束束流加工出铝的光栅结构，即得所述基于铝光栅耦合氮化硅薄膜波导的颜色滤波器。

本发明制备方法中，步骤a采用的氮化硅窗口厚度仅有100nm且悬空，构成无基底的导波层，大大缩小了滤波器的厚度；步骤b中通过调节二氟化镁蒸镀的厚度可以调节滤波器的滤波性能；在步骤e中选择铝材料作为金属光栅，性质稳定；步骤g中采用聚焦离子束加工系统，操作简单，控制精确。

本发明采用氮化硅薄膜作为导波层，二氟化镁和空气分别作为波导结构的覆盖层和衬底，波导结构耦合铝光栅构成薄膜波导颜色滤波器，其优点主要有：(1)空气作为波导结构的衬底，突破了以往玻璃基底结构厚度的局限，实现了整个结构的厚度不足200nm，可广泛应用在集成器件中；(2)滤波器的透射峰值超过70％，透射谱线的半高宽大概在87nm左右，具有相当好的滤波性能；(3)改变光栅的周期、占空比以及二氟化镁覆盖层的厚度，都可以调节透射谱线的峰值对应波长以及半高宽，体现了滤波器良好的可调节性；(4)铝光栅器件的光学性质稳定，无需额外聚合物保护层；(5)该制作过程工艺简单，材料价格低廉。

附图说明

图1：本发明颜色滤波器的结构示意图，其中，1-氮化硅薄膜导波层，2-二氟化镁覆盖层，3-铝光栅。

图2：本发明实施例中制备的颜色滤波器的SEM图，比例尺为400nm。

图3：本发明实施例中制备的薄膜波导在横磁波(TM₀)从金属光栅上方入射情况下的色散曲线图，图中方块和圆环图形分别代表计算机模拟(FDTD)和实验测量所得的峰值波位，方框框出的是可见光范围。

图4(a)：当光栅周期分别为290nm，410nm，530nm，占空比为0.6时，滤波器的计算机模拟透射率谱线(分别对应蓝、绿、红三色)；

图4(b)：当光栅周期分别为290nm，410nm，530nm，占空比为0.6时，滤波器的实验测得透射率谱线(分别对应蓝、绿、红三色)。

图5：当二氟化镁覆盖层的厚度分别为0nm，25nm，50nm时，实验所测得滤波器的透射率(光栅周期固定为410nm，占空比为0.6)。从图中可以看出，改变二氟化镁的厚度，可以调节滤出的峰值波位，同时改变半高宽，达到了调节滤波效果的作用。

具体实施方式

如图1所示，本发明的基于铝光栅耦合氮化硅薄膜波导的颜色滤波器，包括空气衬底、氮化硅薄膜导波层1、二氟化镁覆盖层2、铝光栅3。

本实施例具体制备步骤如下：

a.采用厚度为100nm的氮化硅薄膜窗口(TE200C，苏州原位芯片科技有限责任公司)作为基本框架(3mm×3mm)，将氮化硅薄膜固定于电子束蒸镀(Kurt J.Lesker PVD75)的镀膜腔内上方的样品架上并且放置二氟化镁和铝坩埚，检查腔室门密封圈无误后手动抽真空；

b.待观测到腔内真空度达到10^-6Torr低端时，打开高压软件，设置材料和蒸发参数。打开电子束电源和高压开关。等待一分钟，打开蒸发源挡板，开启衬底旋转，用坩埚控制器选择二氟化镁坩埚作为靶坩埚。

c.加2mA微弱电流并确定电子束束斑在坩埚内后，调整控制器使得束斑处于坩埚中心位置并且调整束斑参数。缓慢增大电流，当仪器上显示蒸发速率达到0.1nm/s时，手动点击蒸发高压软件，打开挡板后，开始蒸发。

d.当蒸镀的二氟化镁厚度为25nm时，停止蒸发。手动缓慢减小电流至零，关闭高压，等待15分钟。

e.调节控制器，旋转坩埚，将坩埚换为铝坩埚，重复步骤c。

f.当蒸镀的铝厚度为40nm时，停止蒸发。手动缓慢减小电流至零，关闭高压，关闭高压软件，等待15分钟后关闭电子束电源。破真空放电并取出样品及坩埚，将样品保存在手套箱内。清理腔室，抽真空。

g.将蒸镀好二氟化镁和铝膜的氮化硅窗口置于聚焦离子束加工系统中(Helios Nanolab from FEI)。待真空度达到，设置加工材质为铝，加工深度为40nm，调整离子束束流至24pA，在15μm×15μm的区域加工出占空比为0.6的光栅结构(铝占比0.6)，其显微结构如附图2所示。

h.取出制备完成的样品，保存在手套箱内。

图3显示了利用FDTD软件模拟以及实验测量所得的峰值波位，从图中可以看出，滤波器在理论、计算机模拟和实验测量的结果在可见光范围达到了很好的一致。

图4是实施例制备的颜色滤波器(光栅周期分别为290nm，410nm，530nm，占空比为0.6)的计算机模拟和实验测量的透射率谱线。从图中可以看出，该滤波器的透射率达到70％以上，最高透射率可超过90％(周期为530nm)。相比孔洞结构滤波器的透射率不超过40％(Inoue D,Miura A,Nomura T,et al.Polarization independent visible color filter comprising an aluminum film with surface-plasmon enhanced transmission through a subwavelength array of holes[J].Applied Physics Letters,2011,98(9):667-151.)、以及金属-介质-金属光栅结构滤波器不超过60％(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.)，本发明的滤波器达到了良好的滤波效果。

图5是对具有不同二氟化镁覆盖层厚度的滤波器进行实验测量得到的透射率(光栅周期固定为410nm，占空比为0.6)。从图中可以看出，改变二氟化镁的厚度，可以调节滤出的峰值波位，同时改变半高宽，达到了调节滤波效果的作用。