专利名称：一种纳米周期结构光子晶体的制造方法
技术领域：
本发明涉及光电子材料与器件，尤其涉及一种采用激光全息干涉方法在各种材料的表面制备具有纳米周期结构的二维光子晶体的方法。
背景技术：
能源是经济运行的血液，以高效白光LED为基础的半导体照明技术，由于其诱人的节能和环保前景，受到我国在科研战略上的高度重视。高效率白光LED作为新型高效节能固体光源，预期使用寿命超过5万小时，可比白炽灯节电5-10倍，能达到节约资源、减少环境污染的双重目的，将在世界范围内引发照明电光源领域的划时代革命。实现白光LED 的核心材料是氮化镓，是继第一代半导体材料(以硅为代表)和第二代半导体材料(以砷化镓和磷化铟为代表)之后，在近20年中发展起来的新型宽禁带半导体材料。目前，白光LED的发展日新月异。少数在此领域技术领先的国外公司(如Nichia 和Cree)已经报道了发光效率在1501m/W以上的高亮度白光LED。这一发光效率不仅远远超过了白炽灯( 151m/W)的发光效率，而且也已经超过了常用荧光灯( 801m/w)的发光效率。时下主流的氮化镓基高亮度LED外延片生长技术均采用蓝宝石或碳化硅(全世界仅有美国的Cree公司使用)为衬底材料，因此立足当前发展较为成熟的、以蓝宝石为衬底制备氮化镓基LED外延片的技术，通过优化和改进LED的结构设计和生长工艺，从而进一步提高氮化镓基LED芯片的晶体质量和发光效率及亮度，降低生产成本就成为全世界研究者和技术人员的共同奋斗目标。虽然近年的理论和实验研究均表明，通过在蓝宝石衬底上，或者氮化镓基LED的表面或内部引入纳米周期结构的光子晶体可以极大地(超过50% )提高LED的外量子效率和发光亮度，但目前的纳米周期结构光子晶体的制备方法，如电子束描画法，固然精细度很高，但设备昂贵，工艺过程太长，只适合实验室里在极小的晶圆表面上制作光子晶体结构(论文 Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 43，2004，pp. 5809-5813)。另一种较为常见的纳米尺度平板压印法，虽然所需设备比较简单，但其工艺过程中易于对晶圆造成污染，操作可控性差，难免导致产品良率降低，生产成本增加，故也不太适合工业化生产(中国公开专利 CN101487974 和 CN101665234A ；论文 Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 43，2004，pp. 5809-5813)。 第三种近来受到较大关注的是激光全息干涉法，由于为得到二束平行激光束，不可避免地要使用激光准直器和分束器，其结果一方面会造成可加工的晶圆尺寸受限于准直器或分束器的直径大小，另一方面因为激光束在准直器和分束器的不同光学镜面上的传播引起的额外光程差，必然造成在所需的干涉条纹之上叠加多余的不规则的干涉条纹，可严重影响干涉图案，亦即光子晶体的周期性和对比度(论文App 1. Phys. Lett. Vo 1. 92，2008， pp. 251110-1-3 和 Cur. Appl. Phys. Vol. 9，2009，pp. 633-635)。这些本质上的缺陷，使得目前的激光全息干涉法也无法满足工业化制备纳米周期结构的光子晶体的需要。
发明内容
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发明目的为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种不使用任何激光准直器和分束器，在直径大到2 4英寸的材料表面，或者任何光电子器件的表面或内部，简便、快速地制备周期在200-800纳米范围内连续可调控的，具备高精度和高对比度的纳米周期结构的光子晶体的新型激光全息干涉法。技术方案为解决上述技术问题，本发明采样的技术方案为—种纳米周期结构光子晶体的制造方法，包括如下步骤(1)在经过有机溶剂和去离子水清洗，并以氮气吹干的样品表面，均勻地涂上一层厚度低于150纳米的感光胶；(2)将反射镜竖直固定在样品台上，在所述样品台上设有能够围绕竖直于样品台的轴旋转的样品架，将样品固定在样品架上，且样品表面竖直于样品台；(3)根据光子晶体结构周期d的大小，通过公式2dSin θ ηλ选择入射到样品表面的激光束波长λ和入射角θ ；(4)使用一种不含任何激光准直器和分束器的激光光束准直和扩束系统将激光束均勻地扩束到样品表面和反射镜上，对样品进行第一次曝光，并且经反射镜反射后再入射到样品表面的激光束与直接入射到样品表面的激光束形成干涉；(5)将固定有样品的样品架旋转60°或者90°后(反射镜不动)进行第二次曝光，并且经反射镜反射后再入射到样品表面的激光束与直接入射到样品表面的激光束形成干涉，以获得具有纳米周期结构的三角格子或者正方格子的光子晶体图案；(6)将经历两次曝光的样品从样品架上取下，进行显影、定影、烘烤、刻蚀系列标准工艺工程，直至在样品表面获得纳米周期结构的光子晶体。所述步骤(4)和步骤(5)中，所述样品表面能够完全被直接入射到其表面激光束覆盖，且能够完全被经反射镜反射后再入射到其表面的激光束覆盖；这样，反射镜要求足够大。在步骤(5)中，之所以要将样品旋转60或者90°后进行第二次曝光，是为了获得正三角或者正方格子的光子晶体，其它角度虽然也行，但人们一般倾向于制备这两种格子的光子晶体，尤其是正三角格子的光子晶体效果最好，而正方格子的光子晶体制作成本最低。所述样品台为能够围绕竖直于样品台的轴旋转的旋转样品台，这样，当只需要对光子晶体结构周期做微调时，可以不改变激光器波长，而只是通过转动旋转样品台来改变激光束相对于样品的入射角度θ，以达到微量调节光子晶体结构周期的目的。所述样品表面可以为纯粹的半导体材料，如硅、锗、砷化镓、磷化铟、碳化硅衬底的表面，也可以是在各种半导体、金属和非金属材料的衬底上生长的二氧化硅、氮化硅等绝缘介质薄膜的表面，还可以是各种化合物半导体薄膜材料及光电子器件的外延生长中常用的蓝宝石、氧化锌等衬底的表面，如通过MOCVD、MBE等外延技术在任何衬底材料上生长完成的各种光电子器件(比如LED)的表面。即发明方法不仅可以将纳米周期结构光子晶体制作在各种材料的表面，也可以制作在不同类型衬底上形成的各种光电子器件的表面。所述样品表面的直径在2英寸到4英寸范围内。有益效果本发明提供的一种纳米周期结构光子晶体的制造方法，不仅可以将纳米周期结构光子晶体制作在各种材料的表面，也可以制作在不同类型衬底上形成的各种光电子器件的表面，制造方法简便、快速，制成的纳米周期结构的光子具备高精度和高对比度。
图1为本发明方法中使用的装置的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实例对本发明作更进一步的说明。如附图1所示为本发明方法中使用装置的结构示意图，包括激光发射器1、不含任何激光准直器和分束器的激光光束准直和扩束系统2和样品台3。所述激光发射器1为氩离子激光器，其通过一对用于提升激光束高度的椭圆形反射镜6提升其发射出的激光束的高度；高度提升后的激光束经过曝光时间控制开关7、物镜及针孔组合8和空间滤波器9后进入激光光束准直和扩束系统2。所述样品台3为能够围绕竖直于样品台3的轴旋转的旋转样品台，反射镜4竖直固定在样品台3上，且在样品台3上设有能够围绕竖直于样品台3的轴旋转的样品架5，将样品固定在样品架5上，且样品表面竖直于样品台3。采用上述装置，通过本发明提供的纳米周期结构光子晶体的制造方法，在蓝宝石衬底上制备周期在200-800纳米范围内连续可调节的光子晶体结构，具体包括如下步骤(1)在经过有机溶剂和去离子水清洗，并以氮气吹干的蓝宝石衬底样品的表面，均勻地涂上一层厚度低于150纳米的感光胶；(2)将样品固定在样品架5上，使样品表面竖直于样品台3 ；(3)根据光子晶体结构周期d的大小，通过公式2dSin θ =ηλ选择入射到样品表面的激光束波长λ和入射角θ ；(4)使用激光光束准直和扩束系统2将激光束均勻地扩束到其直径大到能够同时覆盖全样品表面和反射镜4，对样品进行第一次曝光，并且经反射镜4反射后再入射到样品表面的激光束与直接入射到样品表面的激光束形成干涉；(5)将固定有样品的样品架旋转60°或者90°后(反射镜不动)进行第二次曝光，并且经反射镜4反射后再入射到样品表面的激光束与直接入射到样品表面的激光束形成干涉，以获得具有纳米周期结构的三角格子或者正方格子的光子晶体图案；(6)将经历两次曝光的样品从样品架上取下，进行显影、定影、烘烤、刻蚀系列标准工艺工程，直至在样品表面获得纳米周期结构的光子晶体。在步骤(4)和步骤(5)中，所述样品表面能够完全被直接入射到其表面激光束覆盖，且能够完全被经反射镜反射后再入射到其表面的激光束覆盖。且在步骤中，若当只需要对光子晶体结构周期做微调时，可以不改变激光发射器1波长，而只是通过转动样品台3来改变激光束相对于样品的入射角度θ，以达到微量调节光子晶体结构周期的目的。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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种纳米周期结构光子晶体的制造方法，其特征在于该方法包括如下步骤(1)在经过有机溶剂和去离子水清洗，并以氮气吹干的样品表面，均勻地涂上一层厚度低于150纳米的感光胶；(2)将反射镜竖直固定在样品台上，在所述样品台上设有能够围绕竖直于样品台的轴旋转的样品架，将样品固定在样品架上，且样品表面竖直于样品台；(3)根据光子晶体结构周期d的大小，通过公式2dSinθηλ选择入射到样品表面的激光束波长λ和入射角θ ；(4)使用激光光束准直和扩束系统将激光束均勻地扩束到样品表面和反射镜上，对样品进行第一次曝光，并且经反射镜反射后再入射到样品表面的激光束与直接入射到样品表面的激光束形成干涉；(5)将固定有样品的样品架旋转60°或者90°后进行第二次曝光，并且经反射镜反射后再入射到样品表面的激光束与直接入射到样品表面的激光束形成干涉，以获得具有纳米周期结构的三角格子或者正方格子的光子晶体图案；(6)将经历两次曝光的样品从样品架上取下，进行显影、定影、烘烤、刻蚀系列标准工艺工程，直至在样品表面获得纳米周期结构的光子晶体。
2.根据权利要求1所述的纳米周期结构光子晶体的制造方法，其特征在于所述步骤 (4)和步骤(5)中，所述样品表面能够完全被直接入射到其表面激光束覆盖，且能够完全被经反射镜反射后再入射到其表面的激光束覆盖。
3.根据权利要求1所述的纳米周期结构光子晶体的制造方法，其特征在于所述样品台为能够围绕竖直于样品台的轴旋转的旋转样品台。
4.根据权利要求1所述的纳米周期结构光子晶体的制造方法，其特征在于所述样品表面为半导体衬底的表面，或者在半导体、金属和非金属衬底材料上生长的绝缘介质薄膜的表面，或者化合物半导体薄膜和光电子器件外延生长衬底的表面。
5.根据权利要求1所述的纳米周期结构光子晶体的制造方法，其特征在于所述样品表面为通过M0CVD、MBE外延技术在衬底材料上生长完成的光电子器件的表面。
6.根据权利要求1所述的纳米周期结构光子晶体的制造方法，其特征在于所述样品表面的直径在2英寸到4英寸范围内。
全文摘要
本发明公开了一种纳米周期结构光子晶体的制造方法，包括如下步骤(1)在样品表面涂一层厚度低于150纳米的感光胶；(2)将反射镜和样品竖直固定在样品台上；(3)通过公式2dSinθ＝nλ选择入射到样品表面的激光束波长λ和入射角θ；(4)对样品进行第一次曝光；(5)将固定有样品的样品架旋转60°或者90°后进行第二次曝光，获得具有纳米周期结构的三角格子或者正方格子的光子晶体图案；(6)将经历两次曝光的样品从样品架上取下，进行显影、定影、烘烤、刻蚀系列标准工艺工程，直至在样品表面获得纳米周期结构的光子晶体。本发明提供的方法简单、快速，能够在各种材料表面制成高精度和高对比度的纳米周期结构的光子。
文档编号G03F7/00GK102243438SQ20111018529
公开日2011年11月16日 申请日期2011年7月4日 优先权日2011年7月4日
发明者崔一平, 张 雄 申请人:东南大学