一种有源集成氮化硅光子晶体谐振腔传感器及制备方法

1.本发明公开了一种有源集成氮化硅光子晶体谐振腔传感器及制备方法，涉及光子晶体传感器技术领域。


背景技术：

2.近几十年来，传感器的研究已经逐渐成熟，光子晶体谐振腔传感器在传感技术领域备受关注，且广泛应用于各种领域的检测。
3.目前常见的光子晶体谐振腔传感器分为一维光子晶体和二维光子晶体两种结构。通常为了得到更高的灵敏度，大多数光子晶体谐振腔传感器都是选用较高折射率（ri）材料来制备，以实现高q值。高q值对应于较窄的谐振线宽，这使得传感器能够分辨谐振波长的较小偏移。然而另一方面，介质折射率的增大，使得光更多的局限在介质当中，光场强烈地局限于高折射率材料区域，进而使得待检测物体与光场重叠小，光物作用低，不利于提高灵敏度。因此需要综合考虑折射率（ri）对q值和光物作用的影响。


技术实现要素：

4.本发明针对上述背景技术中的缺陷，提供一种有源集成氮化硅光子晶体谐振腔传感器及制备方法，实现光源和传感元件的一体化集成，尺寸更小，集成度更高，性能稳定并且操作更加便捷。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种有源集成氮化硅光子晶体谐振腔传感器，其特征在于，包括：硅衬底层；n-gan层，位于硅衬底层之上；mqws层，位于n-gan层之上；p-algan电子阻挡层，位于mqws层之上；p-gan层，位于p-algan电子阻挡层之上；sio2层，位于p-gan层之上；光子晶体层，位于sio2层之上；所述的p-gan层表面设置p电极，所述的n-gan层表面设置n电极。
6.进一步的，所述的mqws层包括：ingan和gan交替组成的多层量子阱层，所述的多层量子阱层数为1~13层，每一层包括：3 nm 厚的ingan 和10 nm 厚的gan ，ingan层中的in的含量为：5%~20%；实现蓝光到绿光的连续可调有源波长选择；进一步的，所述p-algan电子阻挡层厚度为10~50nm，p-gan层厚度为50~200nm。
7.进一步的，所述sio2层厚度为500~5000nm,光子晶体层厚度为50~300nm。
8.进一步的，所述的光子晶体层采用si3n4。
9.进一步的，所述的光子晶体层包括：一维光子晶体结构和二维光子晶体结构，其空气孔呈圆形，半径为10~100nm，晶格常数为50~200nm。
10.通过调节sio2层厚度、si3n4光子晶体层厚度、晶格常数和占空比等参数，可以实现
不同谐振频率、品质因子及光场分布、分布模式和模场体积，从而对传感器的灵敏度、检测阈值等性能进行优化。
11.进一步的，所述的一维光子晶体结构的谐振腔为孔缺陷型或孔渐变型。
12.进一步的，所述的二维光子晶体结构的谐振腔为孔缺陷型或孔异质结构型或均一型。
13.一种有源集成氮化硅光子晶体谐振腔传感器的制备方法，包括以下步骤：步骤1:在蓝宝石衬底上，逐层生长三五族化合物材料，形成gan基有源晶片；步骤2:在生长好的gan基有源晶片，表面生长一定厚度的sio2层，然后在sio2层表面生长一定厚度的si3n4；步骤3:在si3n4表面进行电子束光刻，形成光子晶体掩膜结构；进行干法或湿法刻蚀si3n4，形成孔洞结构，并去除电子束光刻的电子束胶；步骤4:采用光刻及si3n4和sio2层刻蚀工艺，留下设定区域的si3n4光子晶体层和sio2包覆层；步骤5:采用光刻及lift off工艺在p-gan表面设定区域进行p电极的制备；步骤6:采用光刻及
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刻蚀工艺，由上到下将设定区域刻蚀至n-gan层；步骤7:采用光刻及lift off工艺在n-gan表面设定区域进行n电极的制备。
14.工作原理：氮化镓有源量子阱层电致发光，调节量子阱的铟组分可以涵盖蓝光-绿光波段的发光，发出的光传输到光子晶体层，由于低折射率氧化硅层作为光子晶体层的包覆层，满足谐振条件频率的光会形成稳态谐振并被限制在光子晶体层，通过测量其透射或反射谱可得谐振峰。由于待检测物体的折射率(ri)会影响谐振波长，所以当折射率变化时，会引起相应的谐振波长偏移。通过检测谐振峰谱线的偏移量 ，便可以计算出折射率的改变量。
15.有益效果：本发明设计的光子晶体谐振腔传感器应用si3n4光子晶体，使得光子晶体谐振腔传感器具有更高性能；si3n4光子晶体具有较高q值和低损耗特性，使得谐振腔传感器能够分辨谐振波长的较小偏移；同时，si3n4光子晶体折射率相对较低，光物作用强。因此，本发明设计的光子晶体谐振腔传感器具有较高的灵敏度和更低的阈值。
16.本发明设计的光子晶体谐振腔传感器采用单片有源集成结构，实现光源和传感元件的一体化集成，尺寸更小，集成度更高，在微小芯片上实现对折射率的传感，不易受外界干扰，性能稳定并且操作更加便捷。
附图说明
17.图1为光子晶体谐振腔传感器侧视结构示意图；图2(a)为一维光子晶体谐振腔传感器缺陷型微腔结构示意图；图2(b)为一维光子晶体谐振腔传感器渐变型微腔结构示意图；图3(a)为二维光子晶体谐振腔传感器正方晶格均一型微腔结构示意图；图3(b)为二维光子晶体谐振腔传感器正方晶格缺陷型微腔结构示意图；图3(c)为二维光子晶体谐振腔传感器正方晶格异质结构微腔结构示意图；图3(d)为二维光子晶体谐振腔传感器三角晶格均一型微腔结构示意图；图3(e)为二维光子晶体谐振腔传感器三角晶格缺陷型微腔结构示意图；
图3(f)为二维光子晶体谐振腔传感器三角晶格异质结构微腔结构示意图；图3(g)为二维光子晶体谐振腔传感器蜂窝晶格均一型微腔结构示意图；图3(h)为二维光子晶体谐振腔传感器蜂窝晶格缺陷型微腔结构示意图；图3(i)为二维光子晶体谐振腔传感器蜂窝晶格异质结构微腔结构示意图；图4为在不同传感介质下实现的谐振波长偏移的示意图。
具体实施方式
18.下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
19.如图1所示的一种实施例：一种有源集成氮化硅光子晶体谐振腔传感器，其特征在于，包括：硅衬底层；n-gan层，位于硅衬底层之上；mqws层，位于n-gan层之上；p-algan电子阻挡层，位于mqws层之上；p-gan层，位于p-algan电子阻挡层之上；sio2层，位于p-gan层之上；光子晶体层，位于sio2层之上；所述的p-gan层表面设置p电极，所述的n-gan层表面设置n电极。
20.所述的mqws层包括：ingan和gan交替组成的多层量子阱层，所述的多层量子阱层数为10层，每一层包括：3 nm 厚的ingan 和10 nm 厚的gan ，ingan层中的in的含量为：5%~20%。
21.所述p-algan电子阻挡层厚度为50nm，p-gan层厚度为200nm。
22.所述sio2层厚度为1000nm,光子晶体层采用厚度为300nm的 si3n4。
23.所述的光子晶体层包括：一维光子晶体结构和二维光子晶体结构，其空气孔呈圆形，半径为50nm，晶格常数为200nm。
24.如图2（a）所示的一种实施例,一维光子晶体谐振腔传感器缺陷型微腔结构: 光子晶体结构空气孔在介质材料上呈现周期性排列，中心区域缺失单个空气孔;如图2（b）所示的一种实施例,一维光子晶体谐振腔传感器渐变型微腔结构: 空气孔的大小从中心向两端逐渐变大或变小；如图3（a）所示的一种实施例, 二维光子晶体谐振腔传感器正方晶格均一型微腔结构: 空气孔在介质材料上呈二维周期性排列，其晶格类型为正方晶格；如图3（b）所示的一种实施例, 二维光子晶体谐振腔传感器正方晶格缺陷型微腔结构: 空气孔在介质材料上呈二维周期性排列，其晶格类型为正方晶格，中心区域缺失单个空气孔；如图3（c）所示的一种实施例, 二维光子晶体谐振腔传感器正方晶格异质结构微腔结构: 光子晶体中心区域的晶格常数或孔半径与周围其它区域不同；如图3（d）所示的一种实施例, 二维光子晶体谐振腔传感器三角晶格均一型微腔结构: 空气孔在介质材料上呈二维周期性排列，其晶格类型为三角晶格；如图3（e）所示的一种实施例, 二维光子晶体谐振腔传感器三角晶格缺陷型微腔
结构: 空气孔在介质材料上呈二维周期性排列，其晶格类型为三角晶格，中心区域缺失单个空气孔；如图3（f）所示的一种实施例, 二维光子晶体谐振腔传感器三角晶格异质结构微腔结构: 光子晶体中心区域的晶格常数或孔半径与周围其它区域不同；如图3（g）所示的一种实施例, 二维光子晶体谐振腔传感器蜂窝晶格均一型微腔结构: 空气孔在介质材料上呈二维周期性排列，其晶格类型为蜂窝晶格；如图3（h）所示的一种实施例, 二维光子晶体谐振腔传感器蜂窝晶格缺陷型微腔结构: 空气孔在介质材料上呈二维周期性排列，其晶格类型为蜂窝晶格，中心区域缺失单个空气孔；如图3（i）所示的一种实施例, 二维光子晶体谐振腔传感器蜂窝晶格异质结构微腔结构: 光子晶体中心区域的晶格常数或孔半径与周围其它区域不同；上述不同的结构会有不同的谐振特性，如品质因子、模场体积、光场在介质和空气中的限制因子等，从而具有不同的传感阈值、灵敏度。
25.实施例：一种有源集成氮化硅光子晶体谐振腔传感器的制备方法，包括以下步骤：步骤1:在蓝宝石衬底上，逐层生长三五族化合物材料，形成gan基有源晶片；步骤2:在生长好的gan基有源晶片，表面生长一定厚度的sio2层，然后在sio2层表面生长一定厚度的si3n4；步骤3:在si3n4表面进行电子束光刻，形成光子晶体掩膜结构；进行干法或湿法刻蚀si3n4，形成孔洞结构，并去除电子束光刻的电子束胶；步骤4:采用光刻及si3n4和sio2层刻蚀工艺，留下设定区域的si3n4光子晶体层和sio2包覆层；步骤5:采用光刻及lift off工艺在p-gan表面设定区域进行p电极的制备；步骤6:采用光刻及
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刻蚀工艺，由上到下将设定区域刻蚀至n-gan层；步骤7:采用光刻及lift off工艺在n-gan表面设定区域进行n电极的制备。
26.如图4所示，为二维光子晶体正方晶格均一型结构在不同折射率介质下实现的谐振波长偏移的示意图，可知通过谐振频率偏移量便可以实现对被测物质折射率的定性和定量测量。
27.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。