具有非对称硅纳米颗粒阵列结构的SOI晶圆及制备方法

具有非对称硅纳米颗粒阵列结构的soi晶圆及制备方法技术领域1.本发明涉及光学器件技术领域，特别是涉及一种具有非对称硅纳米颗粒阵列结构的soi晶圆及制备方法。背景技术：2.非线性效应源于光与波导的相互作用，即光信号的电场和原子的外层电子之间形成共振从而产生非线性极化。金属，如金(au)、银(ag)、铜(cu)制备的纳米金属颗粒阵列将光场能量高度局域在金属表面，可以表现出非线性效应。3.相比于上述金属材料，硅的拉曼增益系数是石英材料的3000倍且依赖于偏振特性，波长范围在小于2.2μm的透明范围内，本身表现出明显的非线性光学特征，非线性折射率是常用石英材料的200倍。因此，硅材料有强的光束限制作用，非常有利于光的相互作用和光波导尺寸的控制，是非常好的非线性光学载体。硅的其它优点还包括：价格低廉，以及允许波长超过1.1μ的光谱成分透明传输。因此，由硅材料制备出的纳米颗粒阵列结构，在纳米尺度非线性光学元件中可以有效操控光信号的传输。同时，由于硅纳米颗粒阵列结构存在辐射损耗(辐射损耗是指一部分光信号泄露产生的损耗)，阵列结构降低了自身的非线性效应，从而限制了其在纳米尺度非线性光学元件中的应用。4.目前，纳米颗粒阵列结构中通常采用非对称的开口谐振环和l形、三角形等超构功能基元，将光紧密地限制在结构表面，一定程度上提高了非线性效应。然而，开口谐振环和l形、三角形等超构功能基元加工工艺过于复杂，在应用于集成化纳米颗粒阵列结构时集成效率低、制备成本高。因此，设计一种制备工艺简单、具有高非线性的非对称硅纳米颗粒阵列结构非常重要。技术实现要素：5.本发明的目的是提供一种具有非对称硅纳米颗粒阵列结构的soi晶圆及制备方法，以增强硅纳米颗粒阵列结构的非线性效应并简化加工工艺。6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：7.一种具有非对称硅纳米颗粒阵列结构的soi晶圆，包括：硅衬底层、位于所述硅衬底层上表面的二氧化硅掩埋层、以及位于所述二氧化硅掩埋层上表面的硅纳米颗粒阵列；8.所述纳米颗粒阵列由偶数个基元周期排列构成；单个所述基元包括两个不同尺寸的长方体纳米颗粒，分别为第一长方体纳米颗粒和第二长方体纳米颗粒；单个所述基元位于所述二氧化硅掩埋层上表面的单元格区域中；单个所述基元中的两个不同尺寸的长方体纳米颗粒采用平行排列方式或直线排列方式，所述单元格区域为正方形区域或长方形区域；在所述平行排列方式或直线排列方式中，所述第一长方体纳米颗粒位于所述第二长方体纳米颗粒一侧；将所述第一长方体纳米颗粒的中心点与所述第二长方体纳米颗粒的中心点的连线作为对称轴；所述第一长方体纳米颗粒和所述第二长方体纳米颗粒分别关于所述对称轴呈轴对称设置。9.可选地，所述平行排列方式中，所述第一长方体纳米颗粒和所述第二长方体纳米颗粒在长度方向上平行；所述第一长方体纳米颗粒和所述第二长方体纳米颗粒在宽度方向上间隔预设距离；所述单元格区域为正方形区域。10.可选地，所述直线排列方式中，所述第一长方体纳米颗粒和所述第二长方体纳米颗粒在宽度方向上平行；所述第一长方体纳米颗粒和所述第二长方体纳米颗粒在长度方向上间隔预设距离；所述单元格区域为长方形区域。11.可选地，所述基元的数量在40～300之间。12.一种具有非对称硅纳米颗粒阵列结构的soi晶圆的制备方法，所述制备方法包括：13.准备硅衬底层；14.在所述硅衬底层上表面掩埋一层二氧化硅材料，形成二氧化硅掩埋层；15.在所述二氧化硅掩埋层上表面制备一层硅材料芯层；16.在所述硅材料芯层上刻蚀出硅纳米颗粒阵列，形成具有非对称硅纳米颗粒阵列结构的soi晶圆；所述纳米颗粒阵列由偶数个基元周期排列构成；单个所述基元包括两个不同尺寸的长方体纳米颗粒，分别为第一长方体纳米颗粒和第二长方体纳米颗粒；单个所述基元位于所述二氧化硅掩埋层上表面的单元格区域中；单个所述基元中的两个不同尺寸的长方体纳米颗粒采用平行排列方式或直线排列方式，所述单元格区域为正方形区域或长方形区域；在所述平行排列方式或直线排列方式中，所述第一长方体纳米颗粒位于所述第二长方体纳米颗粒一侧；将所述第一长方体纳米颗粒的中心点与所述第二长方体纳米颗粒的中心点的连线作为对称轴；所述第一长方体纳米颗粒和所述第二长方体纳米颗粒分别关于所述对称轴呈轴对称设置。17.可选地，所述制备方法还包括：对所述soi晶圆进行机械抛光、去除杂质、清洁和烘干处理，形成soi晶圆成品。18.可选地，所述平行排列方式中，所述第一长方体纳米颗粒和所述第二长方体纳米颗粒在长度方向上平行；所述第一长方体纳米颗粒和所述第二长方体纳米颗粒在宽度方向上间隔预设距离；所述单元格区域为正方形区域。19.可选地，所述直线排列方式中，所述第一长方体纳米颗粒和所述第二长方体纳米颗粒在宽度方向上平行；所述第一长方体纳米颗粒和所述第二长方体纳米颗粒在长度方向上间隔预设距离；所述单元格区域为长方形区域。20.可选地，所述基元的数量在40～300之间。21.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：22.本发明提供了一种具有非对称硅纳米颗粒阵列结构的soi晶圆及制备方法，所述具有非对称硅纳米颗粒阵列结构的soi晶圆包括：硅衬底层、二氧化硅掩埋层以及硅纳米颗粒阵列；所述纳米颗粒阵列由偶数个基元周期排列构成；单个所述基元包括两个不同尺寸的长方体纳米颗粒，分别为第一长方体纳米颗粒和第二长方体纳米颗粒；单个所述基元位于所述二氧化硅掩埋层上表面的单元格区域中；单个所述基元中的两个不同尺寸的长方体纳米颗粒采用平行排列方式或直线排列方式，所述单元格区域为正方形区域或长方形区域；在所述平行排列方式或直线排列方式中，所述第一长方体纳米颗粒位于所述第二长方体纳米颗粒一侧；将所述第一长方体纳米颗粒的中心点与所述第二长方体纳米颗粒的中心点的连线作为对称轴；所述第一长方体纳米颗粒和所述第二长方体纳米颗粒分别关于所述对称轴呈轴对称设置。本发明硅纳米颗粒阵列采用的非对称结构增强了光信号的局域场强，与硅材料的非线性结合进一步增强了硅纳米颗粒阵列的非线性效应；相比较于开口谐振环和l形、三角形等超构功能基元，本发明基元采用的长方体纳米颗粒更容易加工，简化了加工工艺，因此本发明由长方体纳米颗粒组成的基元结构在应用于集成化纳米颗粒阵列结构时加工效率更高、制备成本更低，为非线性光学元件高效实现波束调控、全息成像、光学图像加密等功能提供了一种切实可行的方案。附图说明23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。24.图1为本发明实施例提供的具有非对称硅纳米颗粒阵列结构的soi晶圆的结构示意图；25.图2为本发明实施例提供的硅纳米颗粒阵列中单个基元的结构示意图；26.图3为本发明实施例提供的单个基元中第一长方体纳米颗粒和第二长方体纳米颗粒的平行排列方式的一种布局方式的俯视图；27.图4为本发明实施例提供的单个基元中第一长方体纳米颗粒和第二长方体纳米颗粒的平行排列方式的另一种布局方式的俯视图；28.图5为本发明实施例提供的单个基元中第一长方体纳米颗粒和第二长方体纳米颗粒的直线排列方式的一种布局方式的俯视图；29.图6为本发明实施例提供的单个基元中第一长方体纳米颗粒和第二长方体纳米颗粒的直线排列方式的另一种布局方式的俯视图；30.符号说明：31.硅衬底层1、二氧化硅掩埋层2、硅纳米颗粒阵列3、基元4、第一长方体纳米颗粒401、第二长方体纳米颗粒402、单元格区域5。具体实施方式32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。33.本发明的目的是提供一种具有非对称硅纳米颗粒阵列结构的soi晶圆及制备方法，以增强硅纳米颗粒阵列结构的非线性效应并简化加工工艺。34.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。35.图1为本发明实施例提供的具有非对称硅纳米颗粒阵列结构的soi晶圆的结构示意图。参见图1，所述具有非对称硅纳米颗粒阵列结构的soi晶圆包括：硅衬底层1、位于所述硅衬底层1上表面的二氧化硅掩埋层2、以及位于所述二氧化硅掩埋层2上表面的硅纳米颗粒阵列3。所述纳米颗粒阵列3由偶数个基元4周期排列构成。在实际应用中，所述纳米颗粒阵列3可采用m行n列的周期排列方式，此种周期排列方式中，所述基元4的数量p＝m×n，其中m代表非对称纳米颗粒阵列结构的行数，n代表非对称纳米颗粒阵列结构的列数，n为偶数。优选地，所述基元4的数量p在40～300之间。36.图2为本发明实施例提供的硅纳米颗粒阵列中单个基元的结构示意图。参见图2，单个所述基元4包括两个不同尺寸的长方体纳米颗粒，分别为第一长方体纳米颗粒401和第二长方体纳米颗粒402。p个基元4在二氧化硅掩埋层2上表面周期排列，单个基元4包括的第一长方体纳米颗粒401和第二长方体纳米颗粒402的底面均与二氧化硅掩埋层2上表面接触，单个所述基元4位于所述二氧化硅掩埋层2上表面的单元格区域5中，如图3至图6中虚线框区域所示。第一长方体纳米颗粒401和第二长方体纳米颗粒402的底面的两条边分别称为长方体纳米颗粒的长l和宽w，与底面垂直的边称为第一长方体纳米颗粒401和第二长方体纳米颗粒402的高h。37.参见图3至图6，从俯视角度观察，单个所述基元4中的两个不同尺寸的长方体纳米颗粒有两种排列方式：平行排列方式和直线排列方式。其中平行排列方式是指第一长方体纳米颗粒401和第二长方体纳米颗粒402在长度方向上平行，第一长方体纳米颗粒401和第二长方体纳米颗粒402的中心点在宽度方向上距离为d，参见图3和图4。直线排列方式是指第一长方体纳米颗粒401和第二长方体纳米颗粒402在宽度方向上平行，第一长方体纳米颗粒401和第二长方体纳米颗粒402的中心点在长度方向上距离为d，参见图5和图6。其中长度方向是指与长方体纳米颗粒的长l所在方向平行的方向，宽度方向是指与长方体纳米颗粒的宽w所在方向平行的方向。38.如图3和图4所示，采用平行排列方式时，所述单元格区域5(图中虚线框所示区域)为正方形区域；如图5和图6所示，采用直线排列方式时，所述单元格区域5为长方形区域。39.参见图3至图6，在所述平行排列方式或直线排列方式中，所述第一长方体纳米颗粒401均位于所述第二长方体纳米颗粒402一侧。将所述第一长方体纳米颗粒401的中心点与所述第二长方体纳米颗粒的中心点402的连线作为对称轴；所述第一长方体纳米颗粒401和所述第二长方体纳米颗粒402分别关于所述对称轴呈轴对称设置。40.如图3和图4所示，所述平行排列方式中，所述第一长方体纳米颗粒401和所述第二长方体纳米颗粒402在长度方向上平行；所述第一长方体纳米颗粒401和所述第二长方体纳米颗粒402在宽度方向上间隔预设距离；所述单元格区域5为正方形区域。41.具体地，采用所述平行排列方式时，从俯视角度观察，一个基元4中的长方体纳米颗粒401和402，有两种布局方式：第一长方体纳米颗粒401位于第二长方体纳米颗粒402下方，如图3所示；或者第一长方体纳米颗粒401位于第二长方体纳米颗粒402上方，如图4所示。42.如图5和图6所示，所述直线排列方式中，所述第一长方体纳米颗粒401和所述第二长方体纳米颗粒402在宽度方向上平行；所述第一长方体纳米颗粒401和所述第二长方体纳米颗粒402在长度方向上间隔预设距离；所述单元格区域5为长方形区域。43.具体地，采用所述直线排列方式时，从俯视角度观察，一个基元4中的长方体纳米颗粒401和402，有两种布局方式：第一长方体纳米颗粒401位于第二长方体纳米颗粒402左侧，如图5所示；或者第一长方体纳米颗粒401位于第二长方体纳米颗粒402右侧，如图6所示。44.如图3至图6所示，所述基元4的第一长方体纳米颗粒401和第二长方体纳米颗粒402中心距离为d，取值区间220nm～400nm。45.所述第一长方体纳米颗粒401有长l1、宽w1、高h1三个参数。所述第二长方体纳米颗粒402有长l2、宽w2、高h2三个参数。46.作为一个具体实施例，所述第一长方体纳米颗粒401的长l1取值500nm。所述第二长方体纳米颗粒402的长l2＝l1-2δl。δl的取值区间为25nm～100nm。所述第一长方体纳米颗粒401的宽w1取值150nm。所述第二长方体纳米颗粒402长方体纳米颗粒的宽w2与所述第一长方体纳米颗粒401长方体纳米颗粒的宽w1保持一致，也取值150nm。所述第一长方体纳米颗粒401长方体纳米颗粒的高h1，由实际应用中采用的soi晶圆芯层硅厚度(也就是单个基元4的刻蚀深度)决定。所述第二长方体纳米颗粒402长方体纳米颗粒的高h2也由实际应用中采用的soi晶圆芯层硅厚度决定，h1＝h2。47.本发明硅纳米颗粒阵列3的单个基元4中，由于所述第一长方体纳米颗粒401和所述第二长方体纳米颗粒402尺寸不同，因此由p个基元4周期排列形成的硅纳米颗粒阵列3为非对称结构，该非对称结构在简化加工工艺的情况下使得硅纳米颗粒阵列3的非线性效应显著增强，实现了一种具有高非线性效应的非对称硅纳米颗粒阵列结构。48.本发明还提供所述具有非对称硅纳米颗粒阵列结构的soi晶圆的制备方法，所述制备方法包括：49.步骤(1)：准备硅衬底层1。50.所述硅衬底层1为硅材料衬底，所述硅材料的折射率约3.42。51.步骤(2)：在所述硅衬底层1上表面掩埋一层二氧化硅材料，形成二氧化硅掩埋层2。52.soi全称为silicon-on-insulator，即绝缘衬底上的硅，该技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层。本发明二氧化硅掩埋层2采用的二氧化硅材料折射率约1.45，二氧化硅掩埋层2的作用是保护芯层的非对称硅纳米颗粒阵列结构。53.步骤(3)：在所述二氧化硅掩埋层2上表面制备一层硅材料芯层。54.芯层结构为硅材料，用来构建高非线性的非对称纳米颗粒阵列结构。55.步骤(4)：在所述硅材料芯层上刻蚀出硅纳米颗粒阵列3，形成具有非对称硅纳米颗粒阵列结构的soi晶圆。56.所述纳米颗粒阵列3由偶数个基元4周期排列构成；单个所述基元4包括两个不同尺寸的长方体纳米颗粒，分别为第一长方体纳米颗粒401和第二长方体纳米颗粒402；单个所述基元4位于所述二氧化硅掩埋层2上表面的单元格区域5中。单个所述基元4中的两个不同尺寸的长方体纳米颗粒采用平行排列方式或直线排列方式，对应地，所述单元格区域5为正方形区域或长方形区域。在所述平行排列方式或直线排列方式中，所述第一长方体纳米颗粒401位于所述第二长方体纳米颗粒402一侧；将所述第一长方体纳米颗粒401的中心点与所述第二长方体纳米颗粒402的中心点的连线作为对称轴；所述第一长方体纳米颗粒401和所述第二长方体纳米颗粒402分别关于所述对称轴呈轴对称设置。57.进一步地，所述soi晶圆要进行机械抛光、去除杂质、清洁和烘干处理，形成soi晶圆成品。58.进一步地，所述平行排列方式中，所述第一长方体纳米颗粒和所述第二长方体纳米颗粒在长度方向上平行；所述第一长方体纳米颗粒和所述第二长方体纳米颗粒在宽度方向上间隔预设距离；所述单元格区域为正方形区域。59.所述直线排列方式中，所述第一长方体纳米颗粒和所述第二长方体纳米颗粒在宽度方向上平行；所述第一长方体纳米颗粒和所述第二长方体纳米颗粒在长度方向上间隔预设距离；所述单元格区域为长方形区域。60.所述基元的数量在40～300之间。61.本发明方法制备的soi晶圆，采用的高非线性和非对称纳米颗粒阵列结构增强了光信号的局域场强，与硅材料的非线性结合进一步增强了硅纳米颗粒阵列的非线性效应。相比较于开口谐振环和l形、三角形等超构功能基元，长方体纳米颗粒更容易加工，因此本发明由长方体纳米颗粒组成的基元结构在应用于集成化纳米颗粒阵列结构时加工效率更高、制备成本更低，为非线性光学元件高效实现波束调控、全息成像、光学图像加密等功能提供了一种切实可行的方案。62.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。63.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。