[发明专利]利用非对称结构实现高性能的F-P薄膜滤波器及制备方法

说明书

本发明涉及利用非对称结构实现高性能的F‑P薄膜滤波器及制备方法。改结构是在腔层上方沉积3个周期的高低折射率材料，下方沉积3个周期高低折射率材料，最后再表面沉积一层低折射率材料，起到提升滤波器性能(提升半峰宽和反射抑制比)。以L代表低折射率材料，H代表高折射率材料，2H代表腔层材料，Sub代表衬底，即整体的滤波器结构表示为LHLHLH‑2H‑LHLHLH‑Sub，腔层上下3个周期的高低折射率层组合(HL)。高折射率材料选用了非晶硅(a‑Si)，低折射率材料选用了氮化硅(SiNx)，衬底选用硅衬底，制备手段主要是利用RF‑PECVD。本发明的非对称F‑P薄膜滤波器的机构，具有高反射滤波性能、设备要求低，工艺制作简单等优点。

技术领域

本发明涉及光探测、光传感、光通信等领域，特别是利用非对称结构实现高性能的F-P薄膜滤波器及制备方法。

背景技术

F-P滤波器的概念在18世纪就已经提出了，两端高反膜加上中间腔层使其有优异的波长选择性能。如今半导体工艺和光电技术的迅猛发展使得F-P薄膜滤波器受到了更多人的关注，而其在激光系统，光栅传感、光纤通信和红外探测领域都有着巨大的应用前景。光纤通信领域的波分复用(WDM)系统利用滤波器的波长选择性实现光信号的分离(解复用)，实现单光纤的多信号传输和分离；F-P滤波器在红外探测领域中利用光读出方式，因光刻工艺少，制造简单、材料成本低廉、集成度高使其有广阔的市场前景。

多领域的应用，对薄膜滤波器的性能提出了更高的要求，以及更低的成本。例如中国专利201010191816.9“一种红外-可见光波长转换器”、中国专利201710979412.8“能够适应高温的薄膜滤波器制造方法”等提到薄膜滤波器。但是，因为衬底的存在，这些对称型F-P薄膜滤波器滤波性能(抑制比，半峰宽等)一般，而且存在制备过程中的多次光刻和腐蚀等工序大大提高了工艺制备难度和成本。

因此，通过一种廉价简便的方法制作一种高性能的非对称F-P薄膜滤波器，对于很多领域特别是红外探测领域的广泛应用具有很重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的利用非对称结构的高性能F-P薄膜滤波器，利用非晶硅和氮化硅的高低折射率薄膜材料制备。

本发明主要利用传输矩阵理论，多层膜组合结构可以用一个等效界面替代等效界面的导纳Y＝H0/E0，利用单层膜的界面电磁波传播效应可以得到传输方程。膜系的特征矩阵为

其中η_j＝n_j*cos(θ_j)/m，m为本征阻抗，λ为光波长，n_j为第j层折射率，d_j为第j层厚度，θ_j为第j层入射角。那么整体反射率和透射率为：

本发明的所有仿真是基于上述的传输矩阵理论，整体滤波器的反射率和透射率，在MATLAB的环境中实现的。

本发明提供一种非对称高性能F-P薄膜滤波器的基本结构，即关于腔层上下相同周期数的非晶硅/淡化硅组合，并最后在表面沉积一层淡化硅薄膜形成非对称结构，然后采用等离子加强化学气象法(PECVD)沉积制备，包括以下步骤：

(a)采用低阻抛光硅片，在RF-PECVD外部腔体预热；

(b)将RF-PECVD内部加热到指定温度；

(c)在反应腔体内按制定结构交替沉积非晶硅和氮化硅薄膜，并对腔体沉积不同的厚度；

(d)将RF-PECVD放真空，并取出硅片冷却。

具体地，本技术方案步骤(a)中的低阻抛光硅片厚度为300-675微米，100晶向，硅片在外部腔室预热时间为8-30分钟。