PLZT铁电薄膜光子晶体制备及其光子带隙的电场调控机理研究

摘要

半导体集成电路技术正面临着量子效应和工艺尺寸局限等问题，而光子具有传输频带宽、速度快、信息容量大和相互作用弱等优点，在未来有望实现以光子晶体器件为基础的全光子集成电路。光子晶体作为一种人工超材料，在激光光源、光波导、光开关、窄带滤波器和波分复用器等集成光电子器件应用领域具有广阔的研究前景。然而，传统的硅基光子晶体光子带隙结构主要与几何参数有关，在外场作用下的调节范围较小，不能实现大范围调节光子禁带，制约了硅基光子晶体的应用和推广。PLZT(锆钛酸铅镧)薄膜材料不仅具有良好的透光性，而且具有优异的电控双折射效应，在外电场作用下，其折射率将发生显著变化，是目前已知电光系数最大的功能材料之一，可以广泛用于研究可调带隙光子晶体。鉴于PLZT薄膜材料的折射率对外电场强度的敏感性，本文在研究脉冲激光沉积法制备PLZT薄膜工艺的基础上，从光子带隙结构理论出发，模拟计算以PLZT薄膜为基材的光子晶体结构参数，并采用脉冲激光沉积法和半导体工艺制备一维、二维光子晶体，最后设计了一个基于 PLZT脊型波导-光子晶体微腔结构的可调光滤波器。
　　本研究主要内容包括：⑴相比Sol-Gel方法而言，射频磁控溅射法可以有效降低PLZT薄膜表面的粗糙度，提高致密度和均匀性。但是由于磁控溅射法制备的PLZT薄膜存在化学计量比失衡的问题，因此，本文重点研究了脉冲激光沉积工艺过程中，氧气压强、衬底温度、激光功率和退火条件等对PLZT薄膜微观结构和光学特性的影响。研究结果表明，衬底温度越高，PLZT薄膜越致密，但过高的衬底温度会导致晶粒过度生长而降低薄膜的均匀性；氧气气氛下二次退火可以进一步提高PLZT薄膜的致密度和均匀性，降低表面的粗糙度。随着衬底温度升高，PLZT薄膜的折射率随之增大，而平均透射率先增大后减小，在Ts=700℃时获得最大平均透射率92.02％。最后，根据实验结果归纳出制备 PLZT薄膜的最佳工艺参数为：Po2=10Pa，Ts=700℃，W=280mJ，fb=2Hz，Ta=750℃。⑵通过理论计算和实验研究得到了 PLZT/ZnO一维光子晶体的基本结构参数为：a=359nm，其中PLZT薄膜和ZnO薄膜的厚度分别为155nm和204nm。为了克服采用脉冲激光沉积法制备 ZnO薄膜与 PLZT薄膜的工艺不兼容和晶格常数不匹配等问题，采用脉冲激光沉积法在 Si(100)衬底上制备了三周期和五周期两种规格的PLZT/MgO一维光子晶体。微观分析结果表明，层与层之间界面清晰，无扩散，PLZT薄膜和 MgO薄膜的平均生长速率分别为8.0nm/min和1.5nm/min。但是硅衬底的吸收带边制约了透射谱的测量范围，本文又以MgO(001)单晶为衬底，制备了五周期PLZT/MgO一维光子晶体。测试结果表明，透射谱在861nm附近存在一个与理论计算的光子带隙结构完全吻合的反射峰，透射率的最小值接近20%；在直流电场(1×104V/mm)作用下，PLZT薄膜的折射率的变化率约为0.92%，实现了带隙中心波长偏移12nm。⑶二维光子晶体在面内对TE模两个方向上均有光子带隙，可以实现更小尺寸的集成光电子器件。本文通过理论计算得到了二维PLZT铁电光子晶体的结构参数为：a=660nm，r=264nm；并采用电子束光刻和 ICP刻蚀技术制备了二维PLZT铁电光子晶体。测试结果表明，空气柱结构完整，形状规则，垂直度好，实测直径为504nm，与设计参数500nm仅相差0.8%，刻蚀速率约为1.1nm/s。⑷采用有效折射率法计算得到了PLZT脊型波导中光波保持单模传播的条件：150nm

目录

声明

1. 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 晶体中的电光效应

1.3 压电铁电材料与光电子器件

1.4 光子晶体

1.5 PLZT透明铁电陶瓷与铁电光子晶体

1.6 可调光子晶体与电场调控理论

1.7 本文研究的主要目的及内容

2. PLZT铁电薄膜的制备及其光学特性研究

2.1 引言

2.2 Sol-Gel方法制备PLZT铁电薄膜

2.3 磁控溅射法制备PLZT铁电薄膜

2.4 脉冲激光沉积法制备PLZT铁电薄膜

2.5 PLZT铁电薄膜的光学特性

2.6 本章小结

3. PLZT/ZnO多层结构一维光子晶体的制备与特性研究

3.1 引言

3.2 PLZT/ZnO一维光子晶体的模拟仿真

3.3 基于Sol-Gel方法制备PLZT/ZnO一维光子晶体

3.4 基于磁控溅射法制备PLZT/ZnO一维光子晶体

3.5 两种制备方法的比较

3.6 本章小结

4. PLZT/MgO多层结构一维光子晶体的制备与特性研究

4.1 引言

4.2 PLZT/MgO一维光子晶体的参数计算

4.3 PLZT/MgO一维光子晶体的理论研究

4.4 PLZT/MgO双层膜制备与特性研究

4.5 PLZT/MgO一维光子晶体的制备

4.6 PLZT/MgO一维光子晶体的特性研究

4.7 PLZT/MgO一维光子晶体的电光可调特性研究

4.8 本章小结

5. 二维PLZT铁电光子晶体的制备与微观分析

5.1 引言

5.2 二维光子晶体带结构的计算

5.3 二维PLZT铁电光子晶体模场的计算与仿真

5.4 铁电薄膜材料的ICP刻蚀技术

5.5 二维PLZT铁电光子晶体的制备与微观分析

5.6 本章小结

6. 基于PLZT脊型波导-光子晶体微腔结构的可调滤波器

6.1 引言

6.2 平板介质波导模式理论

6.3 PLZT脊型波导结构参数计算

6.4 PLZT脊型波导的制备

6.5 PLZT脊型波导-光子晶体微腔结构的可调滤波器设计

6.6 本章小结

7. 全文总结

7.1 研究内容总结

7.2 主要创新点

7.3 对进一步研究的展望

致谢

参考文献

附 录1 攻读博士学位期间发表论文目录