在过去的几年中，波导和光子晶体波导的发展一直是一个研究热点。这是因为从纳米和微米光电机械系统到经典和量子电信的广泛应用范围，这得益于对更高效、更快速、占地面积更小的通信工具日益增长的需求。大多数传统波导是在硅上制造的1 使用了所谓的绝缘体上硅(SOI)技术，这种技术已经成熟，并且具有显著的机械稳定性。然而，由于硅的间接带隙，它本质上局限于无源器件。基于直接带隙ⅲ-ⅴ族半导体的波导，如GaAs2或者InP3,4显示出吸引人的特征，但代价是显著的增长和制造努力。7此外，磷化铟还存在一些问题，如易碎性、高温敏感性和相对较高的成本。
实验
由于它们的宽带隙，ⅲ-氮化物可能适用于1.5 lm左右的操作，尽管过去的研究大多集中在可见光谱范围。它们提供低自由载流子吸收8和可忽略的双光子吸收。9 它们还表现出可考虑的机械硬度和高折射率热稳定性，10 比磷化铟大一个数量级。5,6 此外，如高效蓝色发光二极管的制造所示，第三族氮化物外延层已经可以在具有器件质量的硅衬底上生长。11实际上，硅上氮化镓可能为集成光子学提供了一个独特的模板。12,13然而，除了诸如聚碳酸酯的纳米结构所需的通常的制造精度之外，基于第三族氮化物的材料还遭受了几个源自其固有特性的加工困难。例如，由于氮化镓的坚硬，蚀刻垂直和平滑的侧壁是非常具有挑战性的。
此外，由于薄膜的低折射率(1.5 lm时约为2.3)，为了保证氮化镓与其类包层之间尽可能高的折射率对比度，薄膜是非常理想的。14因为二氧化硅的折射率较低，所以SOI基波导不需要它与硅相比，硅提供了足够的对比度以将光限制在平板内。几个研究小组已经报道了通过牺牲层制造独立的第三族氮化物光子结构，使用掺杂选择性和带隙选择性光电化学蚀刻，15 氮化铝，16和InAlN。17 这些方法的主要缺点是可以达到的气隙厚度有限(只有几百纳米)。这对于工作在近红外区的结构可能尤其重要。
在这项工作中，我们报道了工作在近红外区的基于ⅲ族氮化物的独立波导和PhC腔的成就，其Q因子为几千。这些光子结构由氮化镓外延层通过硅衬底的欠蚀刻制成。
整个光子结构的示意图如图2所示1(a)。它由系绳支撑的完全悬挂的金属波导管组成。3,4 这些系留波导与所谓的W1 PhC波导相结合，W1 PhC波导在PHc晶格(填充因子为0.3且晶格常数为600纳米的三角形晶格)中缺失一行。
图1。(a)自支撑结构示意图和(b)制造工艺流程。
制造工艺流程总结于图1(b)。它始于在硅上生长薄的(60纳米)氮化铝缓冲层，然后通过金属有机气相外延(A)沿着c轴(0001)生长330纳米的氮化镓。(0002) x射线衍射岩石曲线的半峰全宽约为1800 arcsec，与之前报告的值相当。22 值得指出的是，这种生长在硅上的氮化铝/氮化镓薄层受到主要由不同热膨胀系数引起的拉伸应变的影响。总厚度被设置为保证单一光学模式操作。生长后，通过等离子体增强化学气相沉积(B)在外延结构的顶部沉积100纳米厚的二氧化硅层。该层在整个制造过程中充当硬掩模，保护氮化镓表面并避免图案退化。进行电子束光刻来图案化先前旋转的ZEP-520 A正性抗蚀剂(C)。一旦抗蚀剂显影，图案首先通过基于氟的反应离子蚀刻(RIE)转移到二氧化硅(D)，然后使用基于氯的电感耦合等离子体蚀刻(E)转移到氮化铝/氮化镓叠层。最后，薄膜是通过硅衬底的干氟基反应离子刻蚀释放。23,24 获得了3 lm数量级的气隙，该气隙足够大以避免1.5 lm的穿过衬底的光损失。最后，使用氢氟酸溶液去除二氧化硅层。由于这种自支撑结构的脆弱性，这是最关键的一步，特别是在小平面上(见图1(a))，以及非常小心的操作为了防止导线波导管塌陷和剥落，需要进行。值得注意的是，包括线波导和PhC晶格在内的整个结构是在一个光刻步骤中制造的，以及在单个后续蚀刻中制造的，这大大减少了处理所需的时间并简化了处理。
为了验证制造方法，对这种结构进行了深入的光学表征。28实验装置包括一个标准端射配置，可调谐激光二极管工作在1.5 lm左右为偏振控制。微透镜光纤用于将光导入小平面，从顶部发出的光被数值孔径为0.90的物镜收集，以记录真实的空间图像。这样，已经探测了红外光在光锥上方波长通过W1 PhC波导的传播(图4).人们可以观察到从系绳，特别是从W1 PhC波导和系绳波导之间的交叉区域产生的大散射。
W1波导用于将光耦合到L3(横向耦合)和DH(具有十个周期(10a)的屏障的同轴耦合)腔中。DH (L3)腔的发射峰以1611纳米(1598纳米)为中心，线宽为300微米(730微米)。28 请注意，通过调整PhC晶格，可以直接对波长进行进一步调整，以完美匹配远程通信窗口。L3腔和DH腔的实验Q因子分别约等于2200和5400。通过有限元模拟估算的相应理论值分别为2900和50 000。假设所有的结构被同时处理，在DH腔的情况下，理论值和实验值之间的较大差异可归因于两个主要因素。首先，在理论计算中考虑无限屏障，而不是在实际结构(10a)中考虑有限屏障。第二，与L3型腔相比，这种腔对孔位置精度的灵敏度更高。在L3腔的情况下，实验和理论品质因数值相当的事实归因于低缺陷制造工艺以及W1波导和腔之间相对较长的耦合距离(在这种情况下为8行)。事实上，距离W1波导管仅6行的类似空腔显示出1900的品质因数。
图3。W1聚碳酸酯波导的顶面原子力显微镜图像。(b)初级保健网格的特写视图。(c)和(d)分别为(b)和(a)背面的原子力显微镜图像。(e)从图像(a)(蓝线)和(d)(红虚线)获得的W1 PhC波导的表面粗糙度轮廓。
W1波导用于将光耦合到L3(横向耦合)和DH(具有十个周期(10a)的屏障的同轴耦合)腔中。DH (L3)腔的发射峰以1611纳米(1598纳米)为中心，线宽为300微米(730微米)。28 请注意，通过调整PhC晶格，可以直接对波长进行进一步调整，以完美匹配远程通信窗口。L3腔和DH腔的实验Q因子分别约等于2200和5400。通过有限元模拟估算的相应理论值分别为2900和50 000。假设所有的结构被同时处理，在DH腔的情况下，理论值和实验值之间的较大差异可归因于两个主要因素。首先，在理论计算中考虑无限屏障，而不是在实际结构(10a)中考虑有限屏障。第二，与L3型腔相比，这种腔对孔位置精度的灵敏度更高。在L3腔的情况下，实验和理论品质因数值相当的事实归因于低缺陷制造工艺以及W1波导和腔之间相对较长的耦合距离(在这种情况下为8行)。事实上，距离W1波导管仅6行的类似空腔显示出1900的品质因数。
结论
总之，基于ⅲ族氮化物的独立波导和工作在近红外区的光子晶体腔已经得到了研究。悬线波导由系绳支撑，并耦合到W1 PhC波导。L3和DH腔都被制造成表现出Q因子分别为~2200和~5400。这些结果验证了这里采用的制造方案与标准硅技术完全兼容。这种方法可以为在同一晶片上集成有源和无源光子元件开辟有前途的途径，同时最小化成本和尺寸。此外，整个结构是通过单个光刻步骤获得的，这大大减少了处理时间。纳米压印光刻等技术可以用来进一步降低成本。因此，这些结果构成了开发用于集成光子学的第三族氮化物/硅混合器件的一个进步。
