[发明专利]一种SOI光子晶体器件

说明书

技术领域：

本发明属于新材料领域，涉及一种以SOI为基材制作的二维光子晶体器件。

背景技术：

光子晶体即光子禁带材料，从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波：当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，因此人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。光子晶体(又称光子禁带材料)的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。

微波波段的逞隙常称为电磁带隙(ElectromagneticBand-Gap，简称为EBG)，光子晶体的引入为微波领域提供了新的研究方向。光子晶体完全依靠自身结构就可实现带阻滤波，且结构比较简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景。光子晶体是指具有光子带隙(PhotonicBand-Gap，简称为PBG)特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG结构。所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。这一概念最初是在光学领域提出的，现在它的研究范围已扩展到微波与声波波段。由于这种结构的周期尺寸与“禁带”的中心频率对应的波长可比拟，所以这种结构在微波波段比在光波波段更容易实现。

光子晶体的制备具有相当高的难度，因为光子晶体的晶格尺度和光的波长具有相同的数量级，如：对于光通信波段(波长1.55μm)，要求光子晶体的晶格在0.5μm左右。近些年来，在人们不断探索和试验的过程中，出现了许多制备方法，如：介质棒堆积、精密机械钻孔、胶体颗粒自组织生长、胶体溶液自组织长年和半导体工艺等。用这些方法，通过人工地控制光子晶体中介电材料之间介电常数的配比和光子晶体的微周期性结构，可以制备出带有各种带隙的光子晶体。然而这些方法并不能适用于所有可以制作光子晶体的材料。

SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘体衬底上的硅)是一种较理想的二维光子晶体材料，在水平方向上制备光子晶体周期结构能够对传输的光束进行约束和控制，在垂直方向上通过大的折射率差异形成全反射来约束光的传播。通过对光子晶体波导的转弯处进行优化设计，可以在很宽的范围(200nm)内获得仅有0.43dB、0.27dB的拐弯损耗。如何使用合适的方法制作出SOI光子晶体器件，是目前研究面临的难题。

发明内容：

为了解决目前光子晶体制作中的难题，本发明提供了一种以SOI为材料制作二维光子晶体器件的方法，该方法较好的利用了SOI材料本身的特性，通过选择合适的顶层硅和埋层厚度、孔径和周期，采用光学光刻和ICP-DRIE刻蚀成功制作出了光子晶体器件。

本发明制作光子晶体器件的方法为：

a)制作二维光子晶体的初始SOI材料；

b)在SOI顶层硅上涂光刻胶，进行前烘处理；

c)为在光刻胶上放置掩膜板；

d)通过曝光将掩膜板上的图样转移到光刻胶上；

e)进行显影操作；

f)再次后烘，对光刻胶进行固化坚膜如图；

g)采用反应离子束刻蚀去掉被曝光的顶层硅部分；

h)刻蚀埋氧层；

i)利用干法或者湿法去除光刻胶层，得到二维光子晶体器件。

附图说明：

附图为本发明所述制作SOI光子晶体的各个步骤的示意图，(a)，(b)，(c)，(d)，(e)，(f)，(g)，(h)，(i)为制作过程中的各个步骤。

具体实施方式：

下面结合附图来对本发明做进一步的说明。

如附图所示，本发明所述SOI光子晶体器件的制作方法如下：

a)制作二维光子晶体的初始SOI材料，其中SOI的顶层硅厚度为230nm，埋氧层为400nm，单面抛光；

b)在SOI顶层硅上涂光刻胶，获得1.1μm厚的光刻胶层，进行前烘处理，前烘温度为110℃；

c)为在光刻胶上放置掩膜板，掩膜板上的图形为圆孔阵列，圆孔半径为140nm，周期为380nm；

d)通过晶向对准后采用真空曝光，将掩膜板上的图样转移到光刻胶上；

e)进行显影操作；

f)再次后烘，对光刻胶进行固化坚膜如图；