基于硅基氧化铪薄膜光栅结构的可调彩色滤光器的研究

发布时间：2020-04-09 06:55

【摘要】：作为还原真实色彩的关键器件,彩色滤光器在液晶显示、图像传感器等方面有重要的应用价值。高色纯度、高对比度、高性能、可集成的彩色滤光器,是未来的研究和发展方向。利用亚波长线性光栅的偏振敏感特性,彩色滤光器的出射光可以根据入射光的偏振态进行调制,从而实现偏振控制的可调彩色滤光器,有利于集成化应用。同时,随着微纳光学的不断发展,基于薄膜结构的亚波长光栅滤光器件进一步促进了彩色滤光器在结构复杂、多组件集成系统等更多领域的应用。本论文采用高折射率的HfO_2作为光栅材料,和成本低、易集成的Si作为衬底材料,结合微纳加工工艺,设计并制备了两个新型的厚度为200nm的薄膜结构的偏振控制的可调彩色滤光器(CF-I和CF-II)。主要的研究内容和成果如下:首先,通过Rsoft软件进行仿真,经过反复调整,确定了两组合适的光栅结构参数,来实现偏振控制的可调彩色滤光器。并结合仿真的电场分布图,具体解释了光栅滤光器件内部发生的导模共振效应(GMR)。基于紫外光刻、反应离子刻蚀(DRIE)、深硅刻蚀等微纳加工工艺,刻蚀去除HfO_2光栅区域下方的硅衬底,使得整个线性光栅上下都被空气包围,形成约200nm厚的悬空薄膜结构的硅基氧化铪光栅滤光器。并设计了四个悬臂梁结构,用于支撑整个薄膜,解决了残余应力的释放问题。采用光镜、扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)等设备,对制备好的基于悬空薄膜结构的彩色滤光器进行了形貌结构表征。整体来说,两个光栅都制备得非常好,光栅线条流畅,薄膜没有任何裂纹。其次,通过实验室自行搭建的角分辨光谱测量系统,对器件进行光谱测量和性能测试,并验证Rsoft仿真计算的正确性。从光谱特性分析可知,在TM和TE偏振正入射的情况下,CF-I的出射光分别中心波长为485nm的蓝色和中心波长为553nm的绿色,CF-II出射光的颜色分别中心波长为582nm的黄色和中心波长为654nm的红色。因此,CF-I是偏振控制的绿-蓝可调彩色滤光器,CF-II是偏振控制的红-黄可调彩色滤光器。此外,薄膜结构的硅基氧化铪光栅滤光器具有体积小巧、结构紧凑的特点,并且易于与其他的硅光子器件集成,形成多组件的集成系统。最特别的是,基于薄膜结构的彩色滤光器有可转移的潜力,可以通过机械性地释放悬臂梁,实现承载光栅的HfO_2薄膜从Si衬底转移到其他衬底上。可转移光电子学是新兴领域,可以应用于柔性可穿戴器件等应用。本文研究的彩色滤光器可以应用于例如图像传感器、显示元件甚至可穿戴设备。
【图文】：

示意图,光栅,高对比度,导模

业的重要技术突破口。作为传统光学器件的基本应用，微纳尺寸的光栅器件在镭射包装、公共防伪、显示照明、绿色能源发展、光学元器件产业化等方面有巨大的发展潜力。入射光波长大于光栅周期，尺寸在微纳米级别，零阶衍射波和光栅相互作用，称为亚波长光栅器件（Subwavelength Grating，SWG）[8-9]。亚波长光栅结构会激发产生奇妙的导模共振、表面等离子共振等现象。因此，和常规光栅器件相比，SWG 有与众不同的特性，在抗反射滤波器、相位板等方面具有巨大的应用潜力[9]。根据材料结构分类，可以把亚波长光栅器件分为导模共振光栅（Guided Mode ResonantGratings, GMRG）和高对比光栅（High Contrast Grating, HCG）两大类。如图 1.1 所示，GMRG由衬底层、波导层、光栅层三层组成，而 HCG 仅由介质层、光栅层构成，两者的结构明显不同。高对比度光栅就是低折射率介质包围了具有高折射率的周期光栅结构，达到反射效率高和宽带的效果。由于这些特性，高对比度光栅常被用于反射镜、半导体激光器、光学滤波器等众多领域[4-6]。

局部放大图,模拟结果,滤光器,光栅滤波器

（b）TE 偏振照明（c）TM 偏振照明（d）非偏振果。旁边是同一像素的局部放大图[16]要综述了近年来透射型和反射型亚波长光了金属纳米孔阵列滤光器、金属-绝缘体-nance，GMR）滤光器等原理和性能，并重示等方面的综合应用[17]。目前，在滤光器还有许多问题需要解决，例如减少制备成共振光栅滤波器，，必须先分析器件的光谱两个重要的参数有关。在正入射的情况下并；在斜入射的情况下，由于消除简并，导模
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2;TB851.7

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