具体实施方式

下面结合附图和实施例对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本公开，而非对本公开的限定，实施例中记载的各个特征可进行组合，形成多个可选方案。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分而非全部结构。

根据本公开总体上的发明构思，提供一种纳米声子晶体，包括：衬底；形成在衬底上的第一绝缘层；形成在第一绝缘层上的第二绝缘层，第一绝缘层和第二绝缘层上形成凹槽，凹槽中设有从凹槽的底部延伸的、由第一绝缘层和第二绝缘层形成的多个支撑柱；形成在凹槽底部的栅电极；形成在第二绝缘层上的源漏电极；以及覆盖在源漏电极的至少一部分、和支撑柱上的振动层，振动层适用于产生谐振振动。

图1示意性示出了根据本公开的一实施例的纳米声子晶体的截面示意图；图2示意性示出了根据本公开的一实施例的纳米声子晶体的俯视示意图。

参见图1和2，根据本公开的一个方面的实施例，提供了一种纳米声子晶体，包括：衬底101、形成在衬底101上的第一绝缘层102、形成在第一绝缘层102上的第二绝缘层103、栅电极202、源漏电极(源电极和漏电极)204、以及振动层401。第一绝缘层102和第二绝缘层103上形成凹槽105，凹槽105中设有从凹槽105的底部延伸的、由第一绝缘层102和第二绝缘层103形成的多个支撑柱104。栅电极202形成在凹槽105的底部除支撑柱104以外的区域，源漏电极204形成在第二绝缘层103上。振动层401覆盖在源漏电极204的至少一部分、和支撑柱104上，振动层401适用于根据施加在栅电极202上的电压产生谐振振动。

根据本公开的实施例的纳米声子晶体，在源漏电极204的至少一部分、和凹槽105内的支撑柱104上覆盖适用于产生谐振振动的振动层401。通过在栅电极202上施加电压形成电场，利用施加在栅电极上的电场产生的静电力拉伸悬浮的振动层401，使振动层产生形变并改变内部应力，以此改变纳米声子晶体的能带；进一步地，通过在源电极上加上频率调制的微波电压信号，在漏电极上测量混频电流，由此获得纳米声子晶体的能带的变化。这样，可以实现以非接触式的方法来按需调制带隙的位置，在同一纳米声子晶体上灵活调控能带、降低纳米声子晶体体积和质量，利于纳米声子晶体的集成。

根据本公开的实施例，第一绝缘层102由氧化硅制成，第二绝缘层103由氮化硅制成；支撑柱104在凹槽105中呈周期性排布，例如，多个支撑柱104布置成阵列。

在一种实施例中，支撑柱104的由第一绝缘层102制成的部分的直径小于由第二绝缘层103制成的部分的直径。

根据本公开的实施例，凹槽105以及支撑柱104的横截面形状可以为圆形、椭圆形、多边形中的其中之一。例如，支撑柱104的横截面形状为大致的圆形，凹槽105的横截面形状为大致的正方形。凹槽105的深度以及支撑柱的高度为大约100nm。

根据本公开的实施例，支撑柱104能够用于支撑振动层401。支撑柱104的由第一绝缘层102制成的部分的直径小于由第二绝缘层103制成的部分的直径，这样，支撑柱104在侧视图中形成为带有底切结构的外部轮廓。在一种示例性实施例中，支撑柱104的氮化硅部分的直径大约为500nm，氧化硅部分的直径小于氮化硅部分的直径，支撑柱之间的间隔大致为1μm。采用带有底切结构的支撑柱，可以增加凹槽105的底部的面积，进而增加设置在凹槽105底部的栅电极202的面积，提高栅电极的电性能。

根据本公开的实施例，衬底101的厚度为500μm～800μm；第一绝缘层102的厚度为100nm～2000nm；第二绝缘层103的厚度为10nm～200nm。制作衬底101的材料包括绝缘材料；绝缘材料包括硅、二氧化硅、三氧化二铝中的至少一种。

根据本公开的实施例，制作衬底的材料可以是硅、二氧化硅、三氧化二铝中的至少一种。例如，衬底的制作材料可以为n型掺杂硅、p型掺杂硅或本征硅，衬底可以形成为直径8英寸或4英寸的晶圆，厚度可选为500μm～800μm，例如670μm；第一绝缘层102的厚度为100nm～2000nm，例如为1000nm；第二绝缘层103的厚度为10nm～200nm，例如为50nm。

根据本公开的实施例，振动层401由二维纳米材料制成，并包括单层结构或多层堆叠结构。制作振动层401的材料包括石墨烯、二硫化钼、氮化硼中的至少一种。制作振动层401的材料可以是石墨烯，也可以是石墨烯与二硫化钼或者氮化硼形成的堆叠层。

作为一种二维纳米材料，石墨烯具有优异的电学和力学性质。利用二维纳米材料制备的纳米机械振子质量轻、体积小、振动频率高，在无线通信、质量探测等许多方面都有广泛的应用。选取合适的周期性结构设计，构造出基于二维纳米材料的纳米机械振子阵列，可以形成基于二维纳米材料的纳米声子晶体。二维纳米材料强度大，受到机械力、静电力、磁致伸缩等外力调控不易断裂，且力学、电学性质可随外力变化发生变化，可以利用外加电场力等方式非接触式地调控纳米声子晶体的能带频率位置。

根据本公开实施例的基于二维纳米材料的纳米声子晶体体积小、质量轻；理论预期的谐振频率可达到MHz甚至GHz量级，损耗小；方便利用外力调控器件的能带位置。

进一步地，根据本公开的实施例的基于二维纳米材料的纳米声子晶体，由于没有利用刻蚀工艺对振动层401进行刻蚀加工，从而保证振动层401为一表面完整的薄膜结构，进而实现有效降低振动层401在制备过程中发生破裂的可能，也避免了因刻蚀振动层401而在振动层401表面引入污染并产生缺陷的可能。因为本公开实施例的纳米声子晶体的振动层401为一完整的、无褶皱的薄膜结构，从而也避免了在现有的纳米声子晶体的振动层上加工周期孔时周期孔的孔径大小、孔径间距不一致，而导致振动层401失效，纳米声子晶体性能较低的可能。

根据本公开的实施例，制作栅电极202和源漏电极204(源电极和漏电极)中的任一个的材料包括钛、钯、金中的其中之一。进一步地，钛的厚度为3nm～5nm；金的厚度为20nm～40nm；钯的厚度为20nm～40nm。

根据本公开的实施例，支撑柱104上还设有第一金属层201；在正方形的凹槽105的开口的上边缘还设有第二金属层203，振动层401通过所述第二金属层203与源漏电极204平滑接触。

在一种示例性实施例中，在凹槽105上边缘处相对两边的第二绝缘层103上分别形成有一长条形的第二金属层203，在第二绝缘层103上形成两个源漏电极204，两个源漏电极204分别由一长条形金属层与一圆形金属层组成，并与第二金属层203相连。

根据本公开的实施例，电极(栅电极和源漏电极中的任一个)可以为堆叠的两层金属。例如，制备电极的材料可以为Ti和Au两层金属、或者Ti和Pd两层金属。在一种示例性实施例中，电极包括3nm～5nm的钛与20nm～40nm的金两层金属。

根据本公开的实施例，由于大多数金属在硅片上结合力比较低，容易脱落，所以采用Ti金属层作为Au与硅片之间的粘附层。

根据本公开的实施例，通过对位于凹槽105底部的栅电极202施加电压后形成电场，在栅电极202与振动层401不接触的情况下，通过静电力作用来拉伸振动层401，使其产生形变并改变其内部应力，进而按需调控纳米声子晶体的能带变化。

根据本公开的实施例，在凹槽105的开口的上边缘设置与电极相同材料的金属层，能够使振动层401与源漏电极204平滑接触。

根据本公开的实施例，参见图2，纳米声子晶体还包括套刻曝光标记301；所述套刻曝光标记301形成于第二绝缘层103上的裸露区域。在一示例性实施例中，在第二绝缘层103形成四个分别呈十字形的套刻曝光标记301，且分别设置于临近正方形凹槽105上边缘的四个顶角处。振动层401同时覆盖在凹槽105内支撑柱104上的第一金属层201、第二金属层203以及源漏电极204的部分区域上。

根据本公开的实施例，形成于第二绝缘层103上的裸露区域的套刻曝光标记301，能够有效提高套刻曝光时的对准精度，进而提高制备得到的纳米声子晶体结构的精度。

图3示意性示出了根据本公开的一实施例的纳米声子晶体的制备方法的流程图。

根据本公开的实施例的纳米声子晶体的制备方法的制备步骤中采用统一的标准样品清洗工艺，包括：将样品依次使用丙酮(ACE)、异丙醇(IPA)及去离子水(DI)各清洗5分钟，每种试剂清洗时伴随超声清洗，最后用高纯氮气吹干，在以下制备步骤中不再赘述。

根据本公开的实施例的纳米声子晶体的制备方法的制备步骤中采用同一电子束曝光工艺，包括：选用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)做电子束光刻胶，甩胶机转速4000转/分钟，甩胶40秒，在烤胶台上以180℃烘烤5分钟。显影溶液选择MIBK(甲基异丁酮)∶IPA(异丙醇)＝1∶3，0℃低温显影3分钟，在以下制备步骤中不再赘述。

根据本公开的实施例的纳米声子晶体的制备方法的制备步骤中采用同一金属剥离工艺，包括：使用NMP(1-甲基-2-吡咯烷酮)恒温80℃浸泡3小时，在以下制备步骤中不再赘述。

本公开的实施例，参见图1-3，提供了一种纳米声子晶体的制备方法，包括如下步骤：

S401：在衬底101上依次形成第一绝缘层102和第二绝缘层103。

根据本公开的实施例，采用热氧化法在厚度为670μm的衬底101上形成厚度为1000nm的二氧化硅层作为第一绝缘层102；利用低压气相沉积法在二氧化硅层102上形成厚度为50nm的氮化硅层作为第二绝缘层103。

S402：采用构图工艺在第二绝缘层103上形成套刻曝光标记301。

根据本公开的实施例，使用标准样品清洗工艺清洗步骤S401获得的产物，然后通过电子束曝光工艺在第二绝缘层103上的预定位置形成具有套刻曝光标记301图形的光刻胶；之后采用电子束蒸发镀膜工艺在第二绝缘层103上的裸露区域以及光刻胶上依次形成4nm厚的Ti和30nm厚的Au，最后通过金属剥离工艺，剥离剩余的光刻胶及其上边的金属层，并在第二绝缘层103上的预定位置形成套刻曝光标记301；

S403：采用构图工艺在第二绝缘层103以及第一绝缘层102内形成凹槽105和在凹槽105中周期性排布的支撑柱104；以及

S404：在位于凹槽105的底部的第一绝缘层102上形成栅电极202，在第二绝缘层103上形成源漏电极204。

一般地，上述构图工艺包括涂覆光刻胶、曝光、显影、刻蚀、清洗等半导体制作工艺，下面将详细描述。

图4A-4I示意性示出了根据本公开的一实施例的制备纳米声子晶体的支撑柱以及电极的工艺过程的示意图。

如图4A～4B所示，使用标准清洗工具清洗步骤S402得到的产物，然后通过电子束曝光工艺先在第二绝缘层103上旋涂第一光刻胶601形成如图4A所示的结构，再去除部分第一光刻胶，从而在第二绝缘层103上形成如图4B所示具有周期性排布的图形的第一光刻胶601的结构。

如图4C～4D所示，利用表1中用来刻蚀氮化硅的等离子体刻蚀工艺，刻蚀被第一光刻胶601覆盖的区域以外的第二绝缘层103的裸露区域至第一绝缘层102，再利用表1中用来刻蚀氧化硅的等离子体刻蚀工艺继续刻蚀裸露的第一绝缘层102至50nm深，形成如图4C所示的没有底切结构的周期性支撑柱结构。

根据本公开的实施例的制备步骤中采用的同一等离子体刻蚀工艺，其具体刻蚀参数如下表1所示。

表1

根据本公开的实施例，采用的同一各向同性的湿法刻蚀工艺，包括：选择氢氟酸缓冲液(BOE)作为刻蚀剂刻蚀45秒，化学成分为氢氟酸∶氟化铵＝1∶6；氢氟酸为刻蚀二氧化硅的主要成分，氟化铵起到缓冲作用，提高刻蚀效果的稳定性，在以下制备步骤中不再赘述。

通过各向同性湿法刻蚀工艺进一步刻蚀第一绝缘层102，使第一绝缘层102的半径小于第二绝缘层103，形成如图4D所示的凹槽105以及呈周期性排布的具有底切结构的支撑柱104，支撑柱104的第二绝缘层103部分的直径为500nm，支撑柱104之间的间隔为1μm。

如图4E～4G所示，去除剩余的第一光刻胶601，并使用标准清洗工具清洗S403得到的产物。通过电子束曝光工艺，先在第二绝缘层103上的裸露区域以及凹槽105内的所有区域旋涂第二光刻胶602，形成如图4F所示的结构，然后去除部分第二光刻胶602形成具有电极图形的第二光刻胶602，得到如图4G所示的结构。

如图4H～4I所示，采用电子束蒸发镀膜工艺在光刻胶602上、凹槽105底部区域，支撑柱104的顶部以及第二绝缘层103上的裸露区域依次形成4nm厚的Ti和30nm厚的Au，形成如图4H所示的结构。位于支撑柱104上的Ti/Au金属层作为第一金属层201，位于凹槽105底部的Ti/Au金属层作为栅电极202，位于第二绝缘层103上凹槽105边缘处的Ti/Au金属层作为第二金属层，用于使振动层与源漏电极平滑接触。在第二绝缘层103上还形成有源漏电极(图4H～4I中未示出)。采用金属剥离工艺去除图4H中剩余的第二光刻胶及其上边的金属层，并使用标准清洗工具清洗S404得到的产物，形成如图4I所示的结构。

根据本公开的一种实施例的纳米声子晶体的制备方法还包括步骤S405，即在支撑柱104以及源漏电极204的至少一部分上覆盖振动层401。在一种实施例中，在支撑柱104以及源漏电极204的至少一部分上覆盖单层的振动层401的步骤，或在支撑柱104以及源漏电极204的至少一部分上覆盖多层的振动层的步骤。

图5A-5D示意性示出了根据本公开的一实施例将纳米声子晶体的振动层转移到利用图4A-4I所示的工艺过程所制备的支撑柱和电极上的工艺过程示意图。

根据本公开的实施例，参见图5A～5D，在支撑柱104以及源漏电极204的至少一部分上覆盖单层的振动层401的步骤包括：在载玻片503上粘贴粘附层502；将单层振动层401贴合在粘附层502上，形成带有单层振动层的提物玻片；将提物玻片503的带有单层振动层401的一面贴合在支撑柱104以及源漏电极204的至少一部分上，形成单层的振动层401。

具体而言，如图5A～5B所示，在载玻片503表面粘贴二维材料粘附层502，形成提物玻片；将含有待转移的振动层401的胶带501的含有待转移的振动层401的一面对准载玻片503上的粘附层502并进行贴合，如图5A所示；撕去胶带501得到如图5B所示的在粘附层502上带有振动层401的结构。

根据本公开的实施例，粘附层材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)；粘附层的形状和尺寸为边长0.3cm～2cm的方形，例如0.4cm、0.5cm、1cm、1.5cm。本公开的实施例采用边长为4mm的正方形的PDMS作为粘附层的材料。胶带为Scotch810型号的单面胶带；振动层的材料为石墨烯。

如图5C～5D所示，将带有振动层401的提物玻片倒置在固定的位移台(未示出)上，移动位移台使该提物玻片对准周期性排布的支撑柱104，如图5C所示；使振动层401能够覆盖在周期性排布的支撑柱104上的第一金属层201、第二金属层203以及部分源漏电极204(图5C～5D中未示出)上，待完全贴合后慢慢提起提物玻片，形成悬浮结构，完成振动层401的转移。

根据本公开的实施例，通过上述转移方法得到的振动层为一表面完整的薄膜结构，使得本公开实施例的纳米声子晶体具有表面完整的振动层。这样，能够有效降低振动层在制备过程中发生破裂的可能，降低了因加工周期孔时周期孔的孔径大小、孔径间距不一致而导致振动层失效，避免了纳米声子晶体性能较低的可能；另一方面，避免了因直接对振动层使用刻蚀工艺，而在振动层表面引入污染，进而在振动层表面产生缺陷的可能。

如图1所示，通过上述S401～S405的纳米声子晶体的制备方法，最终得到了如图1所示的纳米声子晶体。

图6示意性示出了根据本公开的一实施例的纳米声子晶体的示意图；图7示意性示出了在图6中的纳米声子晶体中施加在栅电极的电压与振动层的谐振频率的关系示意图。

如图6所示，根据本公开的实施例，通过在图6中的纳米声子晶体的源电极上加上频率调制的微波电压信号，在栅极加静电压进行调控，在漏电极上测量混频电流，绘制出图7所示的纳米声子晶体中施加在栅电极的电压与振动层的谐振频率的关系示意图。

如图7所示，由纳米声子晶体的谐振频率与栅极电压之间的关系图可知，图7中形成了大量相邻的呈带状的谐振模式，即当改变栅极电压时，石墨烯纳米声子晶体的谐振频率也会随之移动，说明本公开的纳米声子晶体可以通过栅极的电压调控该声子晶体的能带结构。

根据本公开的实施例，该制备方法的整个制备流程，通过采用一套刻曝光标记301执行全部制备工艺的套刻对准。

以上所述仅为本公开的较佳实施例而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。