PLZT鐵電薄膜光子晶體制備及其光子帶隙的電場(chǎng)調(diào)控機(jī)理研究.pdf

1、半導(dǎo)體集成電路技術(shù)正面臨著量子效應(yīng)和工藝尺寸局限等問題，而光子具有傳輸頻帶寬、速度快、信息容量大和相互作用弱等優(yōu)點(diǎn)，在未來有望實(shí)現(xiàn)以光子晶體器件為基礎(chǔ)的全光子集成電路。光子晶體作為一種人工超材料，在激光光源、光波導(dǎo)、光開關(guān)、窄帶濾波器和波分復(fù)用器等集成光電子器件應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的研究前景。然而，傳統(tǒng)的硅基光子晶體光子帶隙結(jié)構(gòu)主要與幾何參數(shù)有關(guān)，在外場(chǎng)作用下的調(diào)節(jié)范圍較小，不能實(shí)現(xiàn)大范圍調(diào)節(jié)光子禁帶，制約了硅基光子晶體的應(yīng)用和推廣。PLZ

2、T(鋯鈦酸鉛鑭)薄膜材料不僅具有良好的透光性，而且具有優(yōu)異的電控雙折射效應(yīng)，在外電場(chǎng)作用下，其折射率將發(fā)生顯著變化，是目前已知電光系數(shù)最大的功能材料之一，可以廣泛用于研究可調(diào)帶隙光子晶體。鑒于PLZT薄膜材料的折射率對(duì)外電場(chǎng)強(qiáng)度的敏感性，本文在研究脈沖激光沉積法制備PLZT薄膜工藝的基礎(chǔ)上，從光子帶隙結(jié)構(gòu)理論出發(fā)，模擬計(jì)算以PLZT薄膜為基材的光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)，并采用脈沖激光沉積法和半導(dǎo)體工藝制備一維、二維光子晶體，最后設(shè)計(jì)了一個(gè)基于

3、PLZT脊型波導(dǎo)-光子晶體微腔結(jié)構(gòu)的可調(diào)光濾波器。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴相比Sol-Gel方法而言，射頻磁控濺射法可以有效降低PLZT薄膜表面的粗糙度，提高致密度和均勻性。但是由于磁控濺射法制備的PLZT薄膜存在化學(xué)計(jì)量比失衡的問題，因此，本文重點(diǎn)研究了脈沖激光沉積工藝過程中，氧氣壓強(qiáng)、襯底溫度、激光功率和退火條件等對(duì)PLZT薄膜微觀結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性的影響。研究結(jié)果表明，襯底溫度越高，PLZT薄膜越致密，但過高的襯底溫度會(huì)導(dǎo)致

4、晶粒過度生長(zhǎng)而降低薄膜的均勻性；氧氣氣氛下二次退火可以進(jìn)一步提高PLZT薄膜的致密度和均勻性，降低表面的粗糙度。隨著襯底溫度升高，PLZT薄膜的折射率隨之增大，而平均透射率先增大后減小，在Ts=700℃時(shí)獲得最大平均透射率92.02％。最后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果歸納出制備 PLZT薄膜的最佳工藝參數(shù)為：Po2=10Pa，Ts=700℃，W=280mJ，fb=2Hz，Ta=750℃。⑵通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究得到了 PLZT/ZnO一維光子晶體的基

5、本結(jié)構(gòu)參數(shù)為：a=359nm，其中PLZT薄膜和ZnO薄膜的厚度分別為155nm和204nm。為了克服采用脈沖激光沉積法制備 ZnO薄膜與 PLZT薄膜的工藝不兼容和晶格常數(shù)不匹配等問題，采用脈沖激光沉積法在 Si(100)襯底上制備了三周期和五周期兩種規(guī)格的PLZT/MgO一維光子晶體。微觀分析結(jié)果表明，層與層之間界面清晰，無擴(kuò)散，PLZT薄膜和 MgO薄膜的平均生長(zhǎng)速率分別為8.0nm/min和1.5nm/min。但是硅襯底的吸收帶

6、邊制約了透射譜的測(cè)量范圍，本文又以MgO(001)單晶為襯底，制備了五周期PLZT/MgO一維光子晶體。測(cè)試結(jié)果表明，透射譜在861nm附近存在一個(gè)與理論計(jì)算的光子帶隙結(jié)構(gòu)完全吻合的反射峰，透射率的最小值接近20%；在直流電場(chǎng)(1×104V/mm)作用下，PLZT薄膜的折射率的變化率約為0.92%，實(shí)現(xiàn)了帶隙中心波長(zhǎng)偏移12nm。⑶二維光子晶體在面內(nèi)對(duì)TE模兩個(gè)方向上均有光子帶隙，可以實(shí)現(xiàn)更小尺寸的集成光電子器件。本文通過理論計(jì)算得到了

7、二維PLZT鐵電光子晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：a=660nm，r=264nm；并采用電子束光刻和 ICP刻蝕技術(shù)制備了二維PLZT鐵電光子晶體。測(cè)試結(jié)果表明，空氣柱結(jié)構(gòu)完整，形狀規(guī)則，垂直度好，實(shí)測(cè)直徑為504nm，與設(shè)計(jì)參數(shù)500nm僅相差0.8%，刻蝕速率約為1.1nm/s。⑷采用有效折射率法計(jì)算得到了PLZT脊型波導(dǎo)中光波保持單模傳播的條件：150nm

8、nm。隨后，采用電子束光刻和ICP刻蝕技術(shù)，制備出了平均脊寬為555nm，工藝誤差小于0.9%的PLZT脊型波導(dǎo)。并以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了基于 PLZT脊型波導(dǎo)-光子晶體微腔結(jié)構(gòu)的光濾波器。模擬計(jì)算結(jié)果表明：光子晶體的禁帶帶邊為λ=1330nm和λ=1785nm，僅僅在λ=1551nm處存在一個(gè)透射諧振峰。在外電場(chǎng)作用下，PLZT薄膜的折射率如果變化0.5%，則諧振峰偏移6nm，即中心波長(zhǎng)λ0=1545nm或λ0=1557nm，完全滿足可調(diào)