摘要：基于严格耦合波理论，提出了一种在可见光波段能调控入射光相位的非周期悬空氮化镓(GaN)薄膜光栅。首先，采用有限差分时域(FDTD)方法，通过改变光栅的周期、占空比等参数仿真计算非周期悬空GaN薄膜光栅的光响应。然后，采用双面加工工艺和氮化物背后减薄技术在硅基GaN晶圆上制备非周期悬空GaN薄膜光栅，控制入射光束的相移。最后，通过角分辨微反射谱实验和光致发光测量实验表征了该薄膜光栅的光学性能。角分辨微反射谱实验结果显示非周期悬空GaN薄膜光栅的光学性能与FDTD的理论分析一致；光致发光测量实验显示其光致发光(PL)强度比硅衬底GaN光栅大大增强，峰值从364.3 nm转移到378.7 nm。另外，在可见光波段内，该悬空非周期GaN光栅有较大的入射角容忍度，为-25°～25°。得到的结果表明，研制的悬空非周期GaN光栅有助于提高光提取效率。
关 键 词:非周期GaN光栅；薄膜光栅；悬空薄膜；角分辨微反射谱；光致发光谱
1 引 言
当入射光和波导模式之间的相位匹配时，会发生导模共振(Guided-Mode Resonance,GMR)[1]。通过改变光栅结构的物理参数(波长、入射角、周期性介质层的厚度等)能够显著调节波传播的衍射效率。导模共振通常与包含周期性亚波长图案的介电薄膜结构有关，因此了解GMR光栅的光谱特性对光栅器件的设计和优化非常重要，其光谱特征与入射角和偏振模式两个因素有关。
目前，基于导模共振效应的光学器件已得到了广泛的研究和应用，比如垂直腔表面发射激光器、可调滤波器[2]、光开关[3]和高灵敏度传感器等[4-6]。随着先进微纳加工技术的发展，具有非周期性结构的谐振光子器件被提出[7]，并且聚焦效果显著。Fattal等人研究出一种非周期性平面介质结构的一维透射聚焦光栅[8]。这种结构通过光栅占空比的空间调制将光聚焦成圆柱形或球面镜。丹麦科技大学Carletti等人使用位于两个不同周期高折射率对比度光栅之间的非周期性高折射率对比光栅(HCG)获得了～6°的光束偏转[9]。德州大学阿灵顿分校陆明宇教授等人已经证实抛物面共振反射器具有聚焦能力[10]。在智能集成光学系统的发展中，这些简单的光学元件有望取代传统的大容量光学器件。
氮化镓(GaN)禁带宽度大，是制备可见光波段光电器件的优良半导体材料。有关GaN基共振光子器件制备和应用的研究已有很多[11-16]。在此之前，本课题组结合硅制造工艺[17]已经在硅基GaN晶元上实现了GaN基导模共振光栅。本文基于严格耦合波理论(Rigorous Coupled-Wave Analysis,RCWA)对比不同周期的光栅条，提出了一种面向可见光波段的非周期悬空GaN薄膜光栅。该光栅利用空气作为上下层的低折射率材料，由于空气和GaN具有较大的折射率差异，GaN谐振光子器件可以有效控制入射光束的相位，同时对环境介质折射率具有高度灵敏性。然后通过Rsoft软件对该非周期悬空GaN光栅进行设计和优化，采用时域有限差分(Finite Difference Time Domain,FDTD)方法计算非周期GaN光栅的光响应。最后通过角分辨微反射率和光致发光实验对该非周期性悬空GaN光栅进行表征。同时,本文还提出了一种先进的双面加工工艺和氮化物背后减薄技术。
2 设计与仿真
本文提出了一种非周期悬空GaN薄膜光栅来实现对可见光波段内入射光束相位的控制。通过改变光栅的周期或占空比(定义为光栅宽度与光栅周期的比值)可以改变反射光和透射光的相位。光栅尺寸不同会产生不同的相移，因此通过改变光栅参数可以获得任何相移[8-9]。GaN和空气之间的折射率对比度较大，从而会对光场产生限制作用。非周期悬空GaN薄膜光栅作为光学谐振器，能产生取决于入射光波长的相移。这些光学谐振器的阵列可以产生不同的相移以控制入射光的波阵面。
图1 非周期悬空GaN薄膜光栅示意图
Fig.1 Schematic view of freestanding non-periodic GaN gratings
图1所示是非周期悬空GaN薄膜光栅的示意图，由具有不同宽度的光栅条组成。主要结构参数包括光栅宽度w，空气间隔g，光栅高度tg和膜厚tm。光栅条编号为0,1,2等，其中0表示中间的光栅条。该非周期悬空GaN薄膜光栅的相位分布满足抛物线型，如下式：
Ψ(x)=k0(x2/2fx)
(1)
其中：k0=2π/λc，fx是等效焦距。改变光栅条的结构参数，使它产生0～2π的突变相移，从而改变由光栅反射光和透射光的相位。光栅条的具体结构参数如表1所示。
表1 光栅条参数
Tab.1 Parameters of grating bar (nm)
非周期悬空GaN薄膜光栅具有对称结构，这意味着第-n个光栅条与第n个光栅条(n=1,2等)的属性相同。由于光栅是线型结构，其光学性能对入射光偏振敏感。光垂直表面入射时，TM偏振表示偏振光在光栅平面内，电场E垂直于光栅线；而对于TE偏振，电场E平行于光栅线。
非周期悬空GaN薄膜光栅作为相位控制谐振器能调控入射光束。入射光经过非周期悬空GaN薄膜光栅发生衍射并激发导波模式。在GaN薄膜中传播的光与GaN光栅相互作用产生光学谐振。基于FDTD法分析GaN光栅的反射光谱。为了简单起见，本文将GaN的折射率设定为常数(2.45)，光栅高度tg为130 nm，膜厚tm为500 nm。图2(a)为TM偏振下角分辨反射谱的模拟结果(彩图见期刊电子版)。图中蓝色区域对应低反射率区域，红色区域对应高反射率区域。入射光在顶部和底部GaN和空气交界处发生多次反射，产生干涉条纹，光学谐振叠加在干涉条纹上。从图中可以看出，反射光谱对入射角敏感，并且相对于入射角存在两个不同的光学响应区域。图2(b)所示为入射波长λ为600 nm时不同入射角的反射光谱，对应于图2(a)中黑色虚线区域。当入射角超过临界角(±25°)时，反射率响应会发生突变。在临界角以外的区域，反射率响应相对平稳，能抑制由于非垂直入射而引起的光谱分裂。研究表明：基于双周期结构[18]、T形亚波长光栅[19-20]和附加层叠[21]，可以实现具有大角度容忍度的导模共振器件。本文结果表明，非周期性光栅同样可以实现较大角度容忍度的谐振光子器件。
图2(c)所示为TE偏振下入射光的角分辨反射谱。由于线性光栅结构的反射率响应对偏振敏感，这种非周期性光栅可用于具有大角度容忍度的光学谐振器件。在可见光波段，由于GaN和空气之间的折射率对比度较大，厚GaN膜可以支持许多受限制的光学模式。光学谐振依赖于薄膜厚度，如图2(d)所示，在TM偏振光垂直入射时，随着薄膜厚度的减小，谐振模式和干涉条纹的数量也减少。采用氮化物背后减薄技术可以控制GaN薄膜厚度，从而调整光学谐振，有效克服了可见光波段内高质量光学谐振器的膜厚问题。
(a)TM偏振时非周期悬空GaN薄膜光栅的角分辨反射谱
(a) Angular-resolved reflectance contour-plot of freestanding non-periodic GaN gratings under TM mode
(b)TM偏振波长600 nm时，光垂直入射的反射谱
(b) Reflectance spectra versus incident angle under TM mode at wavelength of 600 nm
(c)TE偏振时非周期悬空GaN薄膜光栅的角分辨反射谱
(c) Angular-resolved reflectance contour-plot of free-standing non-periodic GaN gratings under TE mode
(d)TM偏振光垂直入射时，不同薄膜厚度的反射谱
(d) Reflectance spectra versus membrane thickness under surface-normal TM-polarized incident
图2 仿真结果
Fig.2 Simulation results
3 结果和分析
本文研发了一种双面加工工艺，结合氮化物背后减薄技术来制备非周期悬空GaN薄膜光栅[22-23]。在硅衬底GaN晶元上，首先通过电子束光刻定义纳米级光栅结构，并通过离子束刻蚀转移至GaN层。然后通过背后深硅刻蚀技术剥离去除光栅区域下面的硅衬底。最后通过氮化物背后减薄技术控制薄膜厚度，得到悬空GaN薄膜光栅。通过氮化物背后减薄技术改变薄膜厚度来调整光学响应是一种可行的方法。图3(a)所示为从背面观察到的非周期悬空GaN薄膜光栅的光学显微图像，其中薄膜直径为160 μm。图3(a)中的插图是所制备的非周期性光栅的扫描电子显微镜(SEM)图像。光栅阵列由33个不同周期的光栅条构成，每个光栅条的结构参数如表1所示，光栅长45 μm。图3(b)所示为非周期性悬空GaN薄膜光栅的原子力显微镜(AFM)图，测得光栅高度tg约为130 nm。
(a)
(b)
图3 (a)非周期悬空GaN薄膜光栅背后的光学显微图，插图为光栅区的SEM图；(b)光栅AFM图
Fig.3 (a) Optical microscope image of fabricated non-periodic GaN membrane gratings observed from backside, inset is SEM image of grating region; (b)AFM image of fabricated grating
本文通过角分辨微反射谱实验表征非周期悬空GaN薄膜光栅的光学性能[24]。将白光光源(Bentham WLS 100)准直并聚焦在光栅上，光斑直径为10 μm，然后使用分束器拾取反射光束，银镜用于获取参考数据。图4(a)和4(b)分别为TM和TE偏振下，非周期性悬空GaN薄膜光栅的反射谱图，其反射率与入射光的波长和入射角有关。由于波长和入射角不同，谐振模式也不同。由于非周期性设计，所制备的GaN光栅具有较大的入射角容忍度，从图中可以看到两个不同的反射区域。当入射角在-25°～25°时，光栅的反射率较低，同时可以看到比较清晰的反射干涉条纹；但是随着入射角的增加，反射率响应会产生突变。实验结果与FDTD法分析的理论预期基本一致，但仍存在差异。造成差异的原因主要有两点:一是加工工艺的局限，虽然光栅制备时参数和仿真是一致的，但仿真时光栅是规则的长方体结构并且表面是光滑的，实际加工时光栅并不是垂直往下刻蚀，而是呈梯形结构，并且表面粗糙，导致光栅条的实际参数与仿真也存在差异，因此对实验结果产生较大影响；二是测试设备和一些人为因素的影响，会使实验结果产生误差。
(a)TM偏振
(a) Under TM mode
(b)TE偏振
(b) Under TE mode
图4 非周期GaN光栅的角分辨反射谱
Fig.4 Measured angular-resolved reflectance contours of fabricated non-periodic GaN gratings
光致发光(Photoluminescence,PL)指的是半导体材料在受到光激励以后，由本征吸收产生大量的额外电子-空穴对，使样品处于非平衡状态。额外载流子对在复合过程中会发射光子，实现发光，因此会产生发射峰。采用微型PL系统在室温条件下表征所制备的非周期悬空GaN薄膜光栅的PL光谱，如图5所示。其中激发源是波长为325 nm的He-Cd激光源。从图中可以看出，对于具有硅衬底的GaN，其发射峰峰值约为364.3 nm。在去除硅衬底和GaN薄膜减薄之后，悬空GaN薄膜的发射峰移动到377.3 nm，这是由于在剥离硅衬底和GaN背后减薄之后，应力的释放使GaN薄膜发生形变，改变了光的传播路径，使发射峰产生红移。此外，由缺陷激发引起的较长波长的PL强度也得到提高，提高了光效率。其原因主要在于剥离硅衬底消除了硅对光的吸收，同时减小GaN薄膜厚度能减少GaN膜中的光损耗。随着非周期性GaN光栅的引入，界面态发生变化。随着PL强度的进一步增强，悬空GaN光栅对光的调制作用使发射峰值转移到378.7 nm。图5的插图显示了从悬空非周期GaN薄膜光栅获得的光斑的光学图像。实验结果表明，非周期悬空GaN薄膜光栅可以采用背后深硅刻蚀和氮化物背后减薄技术来提高GaN基表面发射器件的光效率。
图5 非周期悬空GaN光栅光致发光光谱，插图为从悬空GaN薄膜光栅获得的光斑图像
Fig.5 Photoluminescence (PL) spectra of fabricated GaN gratings, inset is optical image of light spot obtained from freestanding GaN gratings
4 结 论
本文利用双面加工工艺和氮化物背后减薄技术在硅基GaN晶片上实现了非周期悬空GaN薄膜光栅。然后基于RCWA和FDTD法对非周期性光栅的光学特性进行了数值模拟。最后通过角分辨微反射谱实验和PL实验表征了所制备的非周期悬空GaN薄膜光栅的光学性能。实验结果与理论预期一致，在可见光波段内，非周期悬空GaN薄膜光栅具有大的入射角容忍度(-25°～25°)；相较于硅衬底GaN，PL强度大大提高，发射峰值由364.3 nm转移至378.7 nm，有效提高了光效率。
