[发明专利]基于SOI材料的悬空谐振光子器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于SOI材料的悬空谐振光子器件及其制备方法，属于信息材料及器件技术领域。

背景技术

绝缘体上的硅（silicon-on-insulator）是一种新型的硅基功能光电子材料。目前，商用的SOI晶片可以实现从数十纳米到数百微米的高质量的顶层硅器件，为开展SOI材料光子器件提供了可靠的材料基础。从光学性能来看，Si和SiO₂或空气之间的大的折射率差异，SOI微纳光子器件对光场有很强的限制作用，可以实现高密度集成的光子器件，为小型化高密度的硅基微纳光子器件提供了物理基础，同时，悬空的硅基光子器件对光场有更强的限制作用并具备了空间自由度，为引入微机电驱动调节光子器件的结构参数提供了可能。通过微机电驱动器，实现对光子器件的调制，控制光子器件的光学性能，可以进一步研究光子和纳米结构的相互作用等物理问题。此外，SOI光子器件制备工艺与硅微电子标准CMOS工艺有良好的兼容性，可以大幅度降低成本，并实现与硅基微电子器件的单片集成，SOI基光子集成技术是实现高密度光子集成的关键，各种新技术、新器件层出不穷，预示着一个崭新的硅基光子时代的到来。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够实现光波与悬空光子器件的交互作用，便于与硅微电子技术集成，实现集成硅基光电子器件的基于SOI材料悬空谐振光子器件及其制备方法。

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SOI材料的悬空谐振光子器件，实现载体为SOI晶片，从上到下依次包括顶层硅器件层、氧化埋层和硅衬底层，其中：

所述硅衬底层具有一个贯穿至所述氧化埋层下表面的长方体空腔；

所述顶层硅器件层位于空腔上方的部分具有纳米光子器件结构。

作为本发明的一种优化结构：所述纳米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：所述纳米光子器件结构为线形光栅结构。

作为本发明的一种优化结构：所述氧化埋层的材质为SiO₂。

本发明还设计了一种基于SOI材料的悬空谐振光子器件的制备方法，选择SOI晶片为实现载体，从上到下依次包括顶层硅器件层、氧化埋层和硅衬底层，包括如下步骤：

步骤（1）：在所述SOI晶片的顶层硅器件层的上表面旋涂一层电子束光刻胶层；

步骤（2）：通过电子束曝光技术在所述电子束光刻胶层定义纳米光子器件结构；

步骤（3）：利用氮化物刻蚀技术将步骤（2）中的纳米光子器件结构转移到所述顶层硅器件层；

步骤（4）：在所述顶层硅器件层上表面再次旋涂一层用于保护步骤（3）中转移到顶层硅器件层的纳米光子器件结构的光刻胶；

步骤（5）：在所述SOI晶片的硅衬底层下表面旋涂一层光刻胶层，利用背后对准工艺，在所述硅衬底层下表面的光刻胶层打开一个与所述顶层硅器件层具有纳米光子器件结构的部分对应的刻蚀窗口；

步骤（6）：将所述氧化埋层作为刻蚀阻挡层，利用深硅刻蚀工艺将所述硅衬底层贯穿刻蚀至氧化埋层的下表面，形成一个长方体的空腔；

步骤（7）：利用氧气等离子灰化方法去除残余的光刻胶层。

作为本发明的一种优化方法：还包括如下处理：

步骤（8）：通过BHF或Vapor HF技术，将位于步骤（6）中所述空腔上部的氧化埋层去除。

作为本发明的一种优化方法：所述步骤（2）中的纳米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方法：所述步骤（2）中的纳米光子器件结构为线形光栅结构。

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.本发明利用光子器件材料和空间介质的大折射率差，实现了光波与悬空光子器件的交互作用，利用其结构上的对称性，悬空圆形光栅和二维光子晶体可以发展于偏振不敏感性光学元件，而悬空线形光栅可以用作偏振依赖性光学器件；

2.本发明所设计的基于SOI材料的悬空谐振光子器件具有优良的光学性能，可以用作滤光器件、高反射率介质微镜以及光传感器件，其制备技术便于与硅微电子技术集成，实现集成硅基光电子器件。

附图说明

图1是基于SOI材料的悬空谐振光子器件结构简图：(a)单层硅谐振光子器件；(b)双层Si/SiO₂谐振光子器件。

图2是基于SOI材料的悬空谐振光子器件制备工艺流程图。

图3是悬空单层硅谐振圆形光栅器件。