脉冲激光沉积法制备硅基LiNbO薄膜及其性能研究

摘要

LiNbO3因具有优异的电光、压电、非线性光学等特性，已被广泛应用于声表面波及集成光学器件中。制备集成光学器件常需将LiNbO3制成各种形式的光波导结构，但传统方法制备的光波导薄膜存在较多的缺点，因而异质LiNbO3薄膜引起了人们的关注。与体单晶相比，异质LiNbO3薄膜具有明显的优势，如可以获得较大的波导膜与衬底折射率差。至今人们已经采用多种薄膜生长技术来制备异质LiNbO3薄膜，相比其它薄膜生长技术，脉冲激光沉积法具有能保持靶与薄膜组分一致的优点，在多元氧化物薄膜制备方面有着独特的优势。硅材料作为半导体微电子工业的基石，在硅衬底上生长LiNbO3薄膜与目前半导体工艺兼容，有利于光电集成且价格低廉，具有广阔的应用前景。因而，开展硅基LiNbO3薄膜的研究具有非常重要的意义。 本文在总结了LiNbO3薄膜制备研究现状的基础上，利用PLD技术对硅基LiNbO3薄膜的生长及性能进行了研究，为了与硅基上制备的LiNbO3薄膜进行比较，作者还对蓝宝石衬底上制备的LiNbO3薄膜的质量及性能进行了研究。通过研究得出以下主要结果： 1.首次在未施加诱导电场和缓冲层的情况下采用PLD技术在SiO2/Si衬底上生长出了具有良好晶体质量的完全c轴取向LiNbO3薄膜。系统研究了工艺参数对LiNbO3薄膜质量的影响，获得了生长LiNbO3薄膜的最佳工艺参数：衬底温度约为600℃，氧压约为30Pa，激光能量密度为3.2-3.7J/cm2，激光频率约为3Hz，靶材与衬底距离约为4cm，非晶SiO2过渡层厚度约为230nm。 2.等化学计量比LiNbO3薄膜的生长是薄膜制备中的难点。作者借助XPS、SIMS测试，发现通过优化工艺参数采用等化学计量比的LiNbO3陶瓷靶材在SiO2/Si衬底上生长出了等化学计量比的LiNbO3薄膜，且薄膜组分随深度变化均匀。初步探讨了SiO2/Si衬底上LiNbO3薄膜的生长机制，提出了其生长模型。 3.成功地在SiO2/Si衬底上制得低传输损耗的LiNbO3薄膜，最低传输损耗为1.14dB/cm，优于文献报道硅基LiNbO3薄膜的传输损耗。表面形貌作为影响传输损耗的一个重要因素，本文分析了衬底温度和激光频率对薄膜粗糙度的1影响。 4.首次采用PLD技术在Si(111)衬底上制备出了声表面波用高质量LiNbO3薄膜。对制备薄膜的工艺参数、薄膜的表面形貌及折射率进行了研究，发现在衬底温度高于600℃后，薄膜的表面变得非常平整，在最佳条件下薄膜的表面粗糙度为4.87nm，薄膜的折射率n0=2.279。初步研究了退火对薄膜晶体质量的影响。 5.采用PLD技术首次在ZnO/Si衬底上沉积得到了高c轴取向LiNbO3薄膜。研究发现工艺参数与SiO2/Si、Si(111)衬底上LiNbO3薄膜生长的最佳工艺参数相近，并分析了其可能原因。最佳工艺条件下薄膜的粗糙度为6.67nm，与在SiO2/Si和Si(111)衬底上生长LiNbO3薄膜的表面粗糙度相比，平整度明显变差。薄膜接近等化学计量比，用椭圆偏振仪测得最佳工艺参数时薄膜的折射率n0=2.255。 6.研究了蓝宝石衬底上LiNbO3薄膜的制备，分析了衬底温度对薄膜晶体质量的影响。对600℃时制备的薄膜进行了XRDФ扫描测试，结果表明LiNbO3薄膜具有明显的三轴对称性，且与蓝宝石衬底存在(001)LiNbO3‖(001)Al2O3外延关系。对600℃时制备薄膜的表面形貌及光学性能进行了分析，其粗糙度为2.71nm，优于硅基LiNbO3薄膜的粗糙度，用透射光谱测得薄膜的折射率n0=2.283。最后，对SiO2/Si、Si(111)、ZnO/Si及蓝宝石衬底上制备的薄膜的晶体质量和表面形貌进行了比较。

目录

文摘

英文文摘

第一章 前言

第二章 文献综述

2.1 LiNbO3的晶体结构

2.2 LiNbO3的性质及性能

2.2.1电光效应

2.2.2非线性光学效应

2.2.3压电效应

2.3 LiNbO3在光波导领域的应用

2.3.1光波导简介

2.3.2 LiNbO3光波导器件

2.4 LiNbO3薄膜的研究现状

2.5 LiNbO3薄膜的制备技术

2.5.1溅射法(sputtering)

2.5.2溶胶-凝胶法(sol-gel)

2.5.3金属有机物化学气相沉积(MOCVD)

2.6本文的研究内容

参考文献

第三章 实验原理和实验过程

3.1脉冲激光沉积原理

3.1.1脉冲激光沉积概述

3.1.2 PLD的基本原理

3.2 PLD实验系统简介

3.3LiNbO3薄膜的生长工艺

3.4LiNbO3薄膜性能评价

参考文献

第四章SiO2/Si衬底上LiNbO3薄膜的制备

4.1工艺参数对LiNbO3薄膜质量的影响

4.1.1生长气氛

4.1.2衬底温度对LiNbO3薄膜的影响

4.1.3氧压对LiNbO3薄膜的影响

4.1.4靶材与衬底的距离对LiNbO3薄膜的影响

4.1.5激光能量密度对LiNbO3薄膜的影响

4.1.6激光重复频率对LiNbO3薄膜的影响

4.1.7 SiO2的厚度对LiNbO3薄膜的影响

4.2工艺参数对晶粒的影响

4.2.1衬底温度对晶粒尺寸的影响

4.2.2激光频率对晶粒尺寸的影响

4.3小结

参考文献

第五章LiNbO3薄膜表面形貌及生长机制研究

5.1 LiNbO3薄膜的表面形貌

5.1.1衬底温度对薄膜表面粗糙度的影响

5.1.2激光重复频率对薄膜表面粗糙度的影响

5.2 LiNbO3薄膜的组成分析

5.2.1薄膜表面组分分析

5.2.2薄膜纵向组成分析

5.3 LiNbO3薄膜的生长机制

5.4小结

参考文献

第六章LiNbO3薄膜微结构及光学性能研究

6.1 LiNbO3薄膜的微结构分析

6.2 LiNbO3薄膜的光学性能

6.2.1测试原理

6.2.2衬底温度对LiNbO3薄膜光学性能的影响

6.2.3氧压对LiNbO3薄膜光学性能的影响

6.3小结

参考文献

第七章Si(111)衬底上LiNbO3薄膜的研究

7.1LiNbO3薄膜的制备

7.1.1衬底温度对LiNbO3薄膜的影响

7.1.2氧压对LiNbO3薄膜的影响

7.1.3激光频率对LiNbO3薄膜的影响

7.1.4靶材与衬底的距离对LiNbO3薄膜的影响

7.2 LiNbO3薄膜的形貌

7.3退火对薄膜质量的影响

7.4小结

参考文献

第八章ZnO/Si衬底上LiNbO3薄膜的研究

8.1LiNbO3薄膜的沉积

8.1.1缓冲层厚度对LiNbO3薄膜的影响

8.1.2衬底温度对LiNbO3薄膜的影响

8.1.3氧压对LiNbO3薄膜的影响

8.1.4靶材与衬底的距离对LiNbO3薄膜的影响

8.2 LiNbO3薄膜的表面形貌

8.3薄膜的组分分析

8.4小结

参考文献

第九章蓝宝石衬底上LiNbO3薄膜的研究

9.1薄膜的晶体学分析

9.2薄膜的表面形貌

9.4薄膜的光学性能分析

9.5不同衬底上薄膜的晶体质量及表面形貌比较

9.6小结

参考文献

第十章总结

致谢

附：在读期间发表和接收的论文