脈沖激光沉積法制備硅基LiNbO-,3-薄膜及其性能研究.pdf

1、LiNbO3因具有優(yōu)異的電光、壓電、非線性光學(xué)等特性，已被廣泛應(yīng)用于聲表面波及集成光學(xué)器件中。制備集成光學(xué)器件常需將LiNbO3制成各種形式的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，但傳統(tǒng)方法制備的光波導(dǎo)薄膜存在較多的缺點(diǎn)，因而異質(zhì)LiNbO3薄膜引起了人們的關(guān)注。與體單晶相比，異質(zhì)LiNbO3薄膜具有明顯的優(yōu)勢，如可以獲得較大的波導(dǎo)膜與襯底折射率差。至今人們已經(jīng)采用多種薄膜生長技術(shù)來制備異質(zhì)LiNbO3薄膜，相比其它薄膜生長技術(shù)，脈沖激光沉積法具有能保持靶與薄膜

2、組分一致的優(yōu)點(diǎn)，在多元氧化物薄膜制備方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢。硅材料作為半導(dǎo)體微電子工業(yè)的基石，在硅襯底上生長LiNbO3薄膜與目前半導(dǎo)體工藝兼容，有利于光電集成且價(jià)格低廉，具有廣闊的應(yīng)用前景。因而，開展硅基LiNbO3薄膜的研究具有非常重要的意義。 本文在總結(jié)了LiNbO3薄膜制備研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，利用PLD技術(shù)對硅基LiNbO3薄膜的生長及性能進(jìn)行了研究，為了與硅基上制備的LiNbO3薄膜進(jìn)行比較，作者還對藍(lán)寶石襯底上制備的LiN

3、bO3薄膜的質(zhì)量及性能進(jìn)行了研究。通過研究得出以下主要結(jié)果： 1.首次在未施加誘導(dǎo)電場和緩沖層的情況下采用PLD技術(shù)在SiO2/Si襯底上生長出了具有良好晶體質(zhì)量的完全c軸取向LiNbO3薄膜。系統(tǒng)研究了工藝參數(shù)對LiNbO3薄膜質(zhì)量的影響，獲得了生長LiNbO3薄膜的最佳工藝參數(shù)：襯底溫度約為600℃，氧壓約為30Pa，激光能量密度為3.2-3.7J/cm2，激光頻率約為3Hz，靶材與襯底距離約為4cm，非晶SiO2過渡層厚度

4、約為230nm。 2.等化學(xué)計(jì)量比LiNbO3薄膜的生長是薄膜制備中的難點(diǎn)。作者借助XPS、SIMS測試，發(fā)現(xiàn)通過優(yōu)化工藝參數(shù)采用等化學(xué)計(jì)量比的LiNbO3陶瓷靶材在SiO2/Si襯底上生長出了等化學(xué)計(jì)量比的LiNbO3薄膜，且薄膜組分隨深度變化均勻。初步探討了SiO2/Si襯底上LiNbO3薄膜的生長機(jī)制，提出了其生長模型。 3.成功地在SiO2/Si襯底上制得低傳輸損耗的LiNbO3薄膜，最低傳輸損耗為1.14dB/

5、cm，優(yōu)于文獻(xiàn)報(bào)道硅基LiNbO3薄膜的傳輸損耗。表面形貌作為影響傳輸損耗的一個(gè)重要因素，本文分析了襯底溫度和激光頻率對薄膜粗糙度的1影響。 4.首次采用PLD技術(shù)在Si(111)襯底上制備出了聲表面波用高質(zhì)量LiNbO3薄膜。對制備薄膜的工藝參數(shù)、薄膜的表面形貌及折射率進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在襯底溫度高于600℃后，薄膜的表面變得非常平整，在最佳條件下薄膜的表面粗糙度為4.87nm，薄膜的折射率n0=2.279。初步研究了退火對薄膜

6、晶體質(zhì)量的影響。 5.采用PLD技術(shù)首次在ZnO/Si襯底上沉積得到了高c軸取向LiNbO3薄膜。研究發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)與SiO2/Si、Si(111)襯底上LiNbO3薄膜生長的最佳工藝參數(shù)相近，并分析了其可能原因。最佳工藝條件下薄膜的粗糙度為6.67nm，與在SiO2/Si和Si(111)襯底上生長LiNbO3薄膜的表面粗糙度相比，平整度明顯變差。薄膜接近等化學(xué)計(jì)量比，用橢圓偏振儀測得最佳工藝參數(shù)時(shí)薄膜的折射率n0=2.255。

7、 6.研究了藍(lán)寶石襯底上LiNbO3薄膜的制備，分析了襯底溫度對薄膜晶體質(zhì)量的影響。對600℃時(shí)制備的薄膜進(jìn)行了XRDФ掃描測試，結(jié)果表明LiNbO3薄膜具有明顯的三軸對稱性，且與藍(lán)寶石襯底存在(001)LiNbO3‖(001)Al2O3外延關(guān)系。對600℃時(shí)制備薄膜的表面形貌及光學(xué)性能進(jìn)行了分析，其粗糙度為2.71nm，優(yōu)于硅基LiNbO3薄膜的粗糙度，用透射光譜測得薄膜的折射率n0=2.283。最后，對SiO2/Si、Si(1