利用納米硅和二氧化硅界面態(tài)來提高非線性光學(xué)性能的方法
【專利摘要】利用納米硅和二氧化硅界面態(tài)來提高非線性光學(xué)性能的方法，包括以下步驟；1）利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積技術(shù)在單晶硅襯底或者石英襯底制備非晶硅/二氧化硅交替的多層薄膜，非晶硅/二氧化硅的層數(shù)一般為4-16層，通過控制非晶硅的生長(zhǎng)時(shí)間及原位等離子氧化時(shí)間來控制非晶硅子層和二氧化硅子層的厚度；控制非晶硅子層和二氧化硅子層厚度，隨后形成納米硅量子點(diǎn)時(shí)獲得尺寸和密度不同的材料；2）對(duì)非晶硅/二氧化硅多層薄膜進(jìn)行熱退火處理。本發(fā)明可以在較大范圍增強(qiáng)非線性光學(xué)系數(shù)，還可以調(diào)控其非線性光學(xué)性能。
【專利說明】利用納米硅和二氧化硅界面態(tài)來提高非線性光學(xué)性能的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及非線性光學(xué)器件【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】:
[0002]自20世紀(jì)60年代以來，由于硅的相關(guān)技術(shù)取得不斷的發(fā)展，尤其是硅的平面工藝和微細(xì)加工技術(shù)的引入，促進(jìn)了硅集成電路的產(chǎn)生，又由于與之相應(yīng)的材料，設(shè)計(jì)和制作技術(shù)的進(jìn)步，使得微電子技術(shù)取得了快速的發(fā)展，開辟了硅的微電子技術(shù)發(fā)展的新時(shí)代。在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制和通信等信息技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展。然而，隨著集成度的進(jìn)一步提高，器件的尺寸也會(huì)成比例縮小，出現(xiàn)了許多新效應(yīng)，如量子隧穿效應(yīng)，短溝道效應(yīng)，RC互連延遲等效應(yīng)，這些都會(huì)影響到器件的性能，同時(shí)也就限制了集成度的進(jìn)一步提高。另一方面，隨著超高速電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，現(xiàn)有的邏輯門運(yùn)算速度已達(dá)到PS的階段，而要實(shí)現(xiàn)40Gb/s以上的高速傳輸速率，要求光開關(guān)等雙穩(wěn)態(tài)器件具有皮秒量級(jí)的快速響應(yīng)時(shí)間，然而以現(xiàn)有的微電子技術(shù)傳輸如此高速的信息碼，受到了瓶頸阻塞效應(yīng)的限制，因而遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能與當(dāng)前的高速光通信相匹配。而微電子技術(shù)是以電子作為信息載體，它在器件中的傳輸速度遠(yuǎn)低于光子的速度，從而就限制了對(duì)信息的處理速度與能力。為了克服半導(dǎo)體器件尺寸縮小帶來的物理極限和互連技術(shù)等方面的問題，人們逐漸將目光轉(zhuǎn)向了光電子。以光子作為信息載體，并且在不改變?cè)械奈㈦娮有酒壿嫿Y(jié)構(gòu)的前提下，以現(xiàn)有的微電子集成工藝，逐步實(shí)現(xiàn)硅基光電子集成，這無疑已經(jīng)成為人們解決問題行至有效地方法。
[0003]自2004年，Almeida小組首次制備了硅基全光開關(guān)芯片，得到了小于500ps的調(diào)制速度，為實(shí)現(xiàn)硅基光電子集成邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。然而，作為光開關(guān)，光調(diào)制等邏輯器件除了要求響應(yīng)速度快之外，所用的材料還應(yīng)該具有大的非線性系數(shù)。但是由于單晶硅是非極性立方對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其非線性光學(xué)系數(shù)很小，因而限制了其在非線性光學(xué)器件中的應(yīng)用。為了克服這一問題，人們嘗試通過制備低維的半導(dǎo)體薄膜材料，利用量子限制效應(yīng)或界面效應(yīng)來提高其非線性光學(xué)系數(shù)。2011年Martinez小組用PECVD制備了納米硅/ 二氧化硅材料，測(cè)得其非線性折射率系數(shù)為4X10_13Cm2/Wi#-MW(4X10_14Cm2/W)的十倍。并將其制作為光調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)了 IOps的調(diào)制速率，比硅材料的調(diào)制速度快了一個(gè)數(shù)量級(jí)。但是現(xiàn)有的納米硅材料的非線性光學(xué)系數(shù)仍然較低，阻礙了實(shí)現(xiàn)高性能的硅基非線性光學(xué)器件。我們提出了通過引入缺陷態(tài)或界面態(tài)，通過控制界面態(tài)的形態(tài)和密度來提高材料的非線性光學(xué)系數(shù)和性能的技術(shù)途徑，并用實(shí)際實(shí)驗(yàn)證明其是一種行之有效的方法。
[0004]由于體硅材料的非線性光學(xué)系數(shù)較小，限制了其在光開關(guān)，光放大及光調(diào)制等非線性光學(xué)器件中的應(yīng)用。已有的制備納米硅/二氧化硅薄膜多采用納米硅鑲嵌在二氧化硅基質(zhì)的方法，盡管可以提高材料的非線性光學(xué)系數(shù)，但主要是通過控制納米硅的尺寸以及密度來改善材料的非線性光學(xué)系數(shù)，在技術(shù)上有較大難度，且調(diào)節(jié)的范圍有限。
【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005]本發(fā)明目的是:提出了一種利用納米硅/ 二氧化硅多層薄膜中的界面態(tài)來調(diào)控并提高非線性光學(xué)性能的新技術(shù)。通過制備硅/二氧化硅多層薄膜來引入界面態(tài)可以有效地增強(qiáng)其非線性光學(xué)系數(shù)，提高材料的非線性光學(xué)性能。
[0006]本發(fā)明技術(shù)方案是，利用納米硅和二氧化硅界面態(tài)來提高非線性光學(xué)性能的方法，包括以下步驟；
[0007]I)利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積技術(shù)在單晶硅襯底或者石英襯底上制備非晶硅/ 二氧化硅交替的多層薄膜，非晶硅/ 二氧化硅的層數(shù)一般為4-16層，通過控制非晶硅的生長(zhǎng)時(shí)間及原位等離子氧化時(shí)間來控制非晶硅子層和二氧化硅子層的厚度；
[0008]等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積非晶硅子層:通過分解硅烷氣體來沉積非晶硅子層，通過原位等離子氧化非晶硅子層來制備二氧化硅子層，氧化氣體是高純氧氣(99.999%)；如此交替生長(zhǎng)，最后制備得到非晶硅/ 二氧化硅多層薄膜，通過控制硅烷分解的時(shí)間以及等離子氧化的時(shí)間，來分別控制非晶硅和二氧化硅的厚度；
[0009]單晶硅襯底或者石英襯底溫度維持在250±5°C ;非晶硅生長(zhǎng)時(shí)間從15秒到40秒之間變化，氧化時(shí)間可以從60秒到120秒；
[0010]控制非晶硅子層和二氧化硅子層厚度，隨后形成納米硅量子點(diǎn)時(shí)獲得尺寸和密度不同的材料；
[0011]2)對(duì)非晶硅/ 二氧化硅多層薄膜進(jìn)行熱退火處理；在退火前，首先要對(duì)樣品進(jìn)行脫氫處理，以防止薄膜在高溫退火中破裂，脫氫時(shí)間為I小時(shí)，溫度可以在350-450°C的范圍內(nèi)選擇；其后在800°C -1000°C的溫度范圍內(nèi)對(duì)生長(zhǎng)的樣品進(jìn)行30-90分鐘的后退火。
·[0012]非線性光學(xué)系數(shù)的測(cè)量。采用Z-scan技術(shù)對(duì)樣品的非線性吸收系數(shù)(β)和非線性折射率系數(shù)(?)進(jìn)行測(cè)量。激發(fā)光源是Ti sapphire激光器，激發(fā)波長(zhǎng)為800nm，脈寬50fs,工作頻率為ΙΚΗζ。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)經(jīng)過退火后的樣品呈現(xiàn)出了不同的非線性光學(xué)特性。
[0013]進(jìn)一步的，襯底進(jìn)行預(yù)處理，生長(zhǎng)薄膜前先用氬氣(Ar)對(duì)單晶硅襯底或者石英襯底表面進(jìn)行預(yù)處理，射頻電源功率為50W，時(shí)間為5分鐘。
[0014]進(jìn)一步的，非晶硅生長(zhǎng)時(shí)間從15秒到40秒之間變化，氧化時(shí)間可以從60秒到120
秒。隨著非晶硅層厚度的減小，界面態(tài)密度會(huì)增大。
[0015]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明通過制備納米硅/ 二氧化硅多層薄膜，利用二氧化硅層以及非晶硅層的厚度來有效控制納米硅的尺寸。對(duì)材料做不同溫度的退火處理來控制生成的納米硅的密度，不僅利用納米硅的尺寸效應(yīng)，更為重要的是引入不同的界面態(tài)密度，通過調(diào)控界面態(tài)密度，可以在較大范圍增強(qiáng)非線性光學(xué)系數(shù)，同時(shí)，利用控制界面態(tài)(組態(tài)和密度)，還可以調(diào)控其非線性光學(xué)性能，對(duì)制備具有不同功能的非線性光學(xué)器件有著廣泛的應(yīng)用。
[0016]硅基的光調(diào)制器，超短脈沖及光開關(guān)等非線性光學(xué)器件是光電集成過程中急需的光學(xué)器件，本發(fā)明提出了一種基于納米硅/ 二氧化硅多層膜結(jié)構(gòu)，利用納米硅/ 二氧化硅界面態(tài)來提高材料的非線性光學(xué)系數(shù)的方法。在實(shí)驗(yàn)上利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)技術(shù)制備了非晶硅/ 二氧化硅多層薄膜，通過制備不同厚度的非晶硅層以及調(diào)節(jié)退火溫度來控制界面態(tài)，成功得到了具有不同非線性光特性的材料，提高了材料的非線性光學(xué)系數(shù)并實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料的非線性光學(xué)特性的調(diào)控。本發(fā)明的特點(diǎn)還在于包括下述:
[0017]I)利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)技術(shù)制備了非晶硅/ 二氧化硅多層薄膜并通過后退火技術(shù)來獲得納米硅量子點(diǎn)/二氧化硅材料。整個(gè)制備過程操作簡(jiǎn)單，由于化學(xué)氣相淀積和后退火等半導(dǎo)體工藝均已成熟，有很好的可控性與重復(fù)性；
[0018]2)提出了通過調(diào)節(jié)退火溫度和納米硅尺寸與密度來調(diào)控納米硅與二氧化硅界面處的缺陷態(tài)密度，實(shí)現(xiàn)了材料的非線性吸收特性從反飽和吸收轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡臀仗匦?，而材料的非線性折射率特性由自散焦轉(zhuǎn)變?yōu)樽跃劢固匦裕?br> [0019]3)目前獲得了材料的非線性折射率n2和非線性吸收系數(shù)β分別是
4.94Xl(T12cm2/W和-2.3X l(T7cm/W，相比以前報(bào)道的納米硅鑲嵌在二氧化硅的材料，其非線性光學(xué)系數(shù)提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)；
[0020]4)與微電子半導(dǎo)體工藝技術(shù)相兼容，有利于降低成本和今后的實(shí)用化。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0021]圖1 (a)是非晶硅層和二氧化硅層厚度都約為4nm(樣品A)的TEM圖，圖1 (b)是非晶硅層和二氧化硅層厚度分別為2.5nm和2nm(樣品B)的TEM圖，兩個(gè)樣品的退火溫度都為1000°C。從圖中可以看出樣品退火后仍然保持完整的層狀結(jié)構(gòu)，插圖是樣品的高分辨TEM 圖。
[0022]圖2是三個(gè)樣品(分別在800，900和1000°C三個(gè)退火溫度下)的光吸收曲線。插圖是樣品在近紅外區(qū)域的光吸曲線。從圖中可以看出，隨著退火溫度的升高，樣品的光吸收增強(qiáng)。
[0023]圖3是樣品A(黑色曲線)和樣品B(淡色曲線)的光致發(fā)光譜。從圖中可以看中樣品B的發(fā)光強(qiáng)度是樣品A的十倍，這說明納米硅和二氧化硅界面處的硅氧缺陷態(tài)密度有了明顯地增加。我們可以利用光致發(fā)光譜作為反映樣品的不同界面態(tài)密度的指標(biāo)。
[0024]圖4 (a)-(c)是樣品(分別在800，900和1000°C三個(gè)退火溫度下)的開孔透過率曲線，圖4(d)-(f)分別對(duì)應(yīng)于樣品的閉孔透過率曲線。通過調(diào)節(jié)退火溫度，實(shí)現(xiàn)了材料的非線性吸收由反飽和吸收轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡臀仗匦?，同時(shí)也使材料的非線性折射從自散焦轉(zhuǎn)變?yōu)榱俗跃劢固匦浴＜ぐl(fā)光是波長(zhǎng)為800nm，脈寬為50fs的鎖模激光器。焦點(diǎn)處的激發(fā)光強(qiáng)度是1^3.54X10nW/cm2，實(shí)線是對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合曲線。
[0025]圖5 (a)和(b)是樣品A和樣品B兩個(gè)樣品分別在光強(qiáng)為^=3.54X10nff/cm2 (深綠色曲線)和I2=3.54X1012W/cm2(淡紅色曲線)激發(fā)下的開孔透過率曲線。從圖中可以看出，通過調(diào)節(jié)非晶硅子層厚度可以使樣品的非線性吸收特性由飽和吸收轉(zhuǎn)變?yōu)榉达柡臀仗匦浴６腋淖兗ぐl(fā)光強(qiáng)也會(huì)改變樣品的非線性光學(xué)特性。
【具體實(shí)施方式】:
[0026]本發(fā)明包括以下步驟:
[0027]I)、利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積技術(shù)制備非晶硅層子層可控的非晶硅/ 二氧化硅多層薄膜，即通過控制非晶硅的生長(zhǎng)及原位等離子氧化時(shí)間來控制非晶硅子層的厚度；利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積技術(shù)；
[0028]1-1、襯底預(yù)處理。生長(zhǎng)薄膜前先用氬氣(Ar)對(duì)單晶硅襯底或者石英襯底表面進(jìn)行預(yù)處理，射頻電源功率為50W，時(shí)間為5分鐘。預(yù)處理的目的是加強(qiáng)薄膜與襯底之間的黏附性。
[0029]1-2、制備非晶硅/ 二氧化硅多層薄膜。通過分解硅烷氣體來沉積非晶硅子層，氣體流量是5標(biāo)準(zhǔn)毫升每分鐘(sccm)，通過原位等離子氧化非晶硅來制備二氧化硅子層，氧化氣體是高純氧氣(99.999%),氧氣流量是20SCCm。如此交替生長(zhǎng)9個(gè)周期，最后制備得到非晶硅/ 二氧化硅多層薄膜，通過控制硅烷分解以及等離子氧化的時(shí)間，來控制非晶硅和二氧化硅的厚度。在我們具體的制備過程中，襯底溫度維持在250±5°C。非晶硅生長(zhǎng)時(shí)間可以從15秒到40秒之間變化，氧化時(shí)間可以從60秒到120秒。不同的生長(zhǎng)時(shí)間和氧化時(shí)間會(huì)形成厚度不同的非晶硅和二氧化硅層，通過控制厚度可以在隨后形成納米硅量子點(diǎn)時(shí)獲得尺寸和密度不同的材料，進(jìn)而調(diào)節(jié)材料中的納米硅/ 二氧化硅的界面態(tài)密度。一般而言，隨著非晶硅層厚度的減小，界面態(tài)密度會(huì)增大。
[0030]2)、對(duì)非晶硅/ 二氧化硅多層薄膜進(jìn)行熱退火處理。在退火前，首先要對(duì)樣品進(jìn)行脫氫處理，以防止薄膜在高溫退火中破裂，脫氫時(shí)間為I小時(shí)，溫度可以在350-450°C的范圍內(nèi)選擇。其后在800°C-1000°C的溫度范圍內(nèi)對(duì)生長(zhǎng)的樣品進(jìn)行后退火。隨著退火溫度的升高，非晶硅/ 二氧化硅多層薄膜中的硅量子點(diǎn)密度會(huì)隨之增多，由于界面態(tài)是在納米硅和二氧化硅之間形成的，因而界面態(tài)的密度會(huì)隨著納米硅密度的增多而增大。通過調(diào)節(jié)退火溫度便會(huì)很好的調(diào)控非晶硅/ 二氧化硅多層薄膜中的界面態(tài)密度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)材料的非線性吸收由反飽和吸收到飽和吸收特性的轉(zhuǎn)變，同時(shí)也使材料的非線性折射從自散焦轉(zhuǎn)變?yōu)榱俗跃劢固匦浴?br> [0031]3)、非線性光學(xué)系數(shù)的測(cè)量。采用Z-scan技術(shù)對(duì)樣品的非線性吸收系數(shù)(β )和非線性折射率系數(shù)(η2)進(jìn)行測(cè)量。激發(fā)光源是T1: sapphire激光器，激發(fā)波長(zhǎng)為800nm，脈寬50fs，工作頻率為ΙΚΗζ。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)經(jīng)過退火后的樣品呈現(xiàn)出了不同的非線性光學(xué)特性。
[0032](一)在硅襯底上制備納米硅/二氧化硅多層薄膜:
[0033]利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)技術(shù)在硅襯底上淀積納米硅/ 二氧化硅
多層薄膜。
[0034]1.襯底預(yù)處理。生長(zhǎng)薄膜前先用氬氣(Ar)對(duì)襯底表面進(jìn)行預(yù)處理，射頻電源功率為50W，時(shí)間5分鐘。預(yù)處理的目的是加強(qiáng)薄膜與襯底之間的黏附性。
[0035]納米硅/ 二氧化硅多層薄膜。在制備非晶硅/ 二氧化硅多層薄膜的過程中襯底溫度維持在250°C，通過分解硅烷氣體來沉積非晶硅層，氣體流量是5Sccm，并用原位等離子氧化非晶硅來制備二氧化硅層，氧化氣體是高純氧氣(99.999%),氧氣流量是20sccm。如此交替生長(zhǎng)9個(gè)周期，最后制備得到非晶硅/ 二氧化硅多層薄膜，通過控制硅烷分解以及等離子氧化的時(shí)間，來控制非晶硅和二氧化硅的厚度。射頻電源功率為50W。脫氫時(shí)間為I小時(shí)，脫氫溫度可以在350°C ;其后在800°C的溫度范圍內(nèi)對(duì)生長(zhǎng)的樣品進(jìn)行30分鐘的后退火。脫氫溫度與后退火的溫度與時(shí)間的范圍內(nèi)選擇無明顯區(qū)別。
[0036]2.具體工藝條件如下:
[0037]
【權(quán)利要求】
1.利用納米硅和二氧化硅界面態(tài)來提高非線性光學(xué)性能的方法，其特征是包括以下步驟； 1)利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積技術(shù)在單晶硅襯底或者石英襯底制備非晶硅/二氧化硅交替的多層薄膜，非晶硅/ 二氧化硅的層數(shù)一般為4-16層，通過控制非晶硅的生長(zhǎng)時(shí)間及原位等離子氧化時(shí)間來控制非晶硅子層和二氧化硅子層的厚度； 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積非晶硅子層:通過分解硅烷氣體來沉積非晶硅子層，通過原位等離子氧化非晶硅子層來制備二氧化硅子層，氧化氣體是高純氧氣(99.999%);如此交替生長(zhǎng)，最后制備得到非晶硅/ 二氧化硅多層薄膜，通過控制硅烷分解的時(shí)間以及等離子氧化的時(shí)間，來分別控制非晶硅和二氧化硅的厚度； 單晶硅襯底或者石英襯底溫度維持在250±5°C ;非晶硅生長(zhǎng)時(shí)間從15秒到40秒之間變化，氧化時(shí)間可以從60秒到120秒； 控制非晶硅子層和二氧化硅子層厚度，隨后形成納米硅量子點(diǎn)時(shí)獲得尺寸和密度不同的材料； 2)對(duì)非晶硅/二氧化硅多層薄膜進(jìn)行熱退火處理；在退火前，首先要對(duì)樣品進(jìn)行脫氫處理，以防止薄膜在高溫退火中破裂，脫氫時(shí)間為I小時(shí)，脫氫溫度可以在350-450°C的范圍內(nèi)選擇；其后在800°C -1000°C的溫度范圍內(nèi)對(duì)生長(zhǎng)的樣品進(jìn)行30-90分鐘的后退火。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用納米硅和二氧化硅界面態(tài)來提高非線性光學(xué)性能的方法，其特征是襯底進(jìn)行預(yù)處理，即生長(zhǎng)薄膜前先用氬氣對(duì)單晶硅襯底或者石英襯底表面進(jìn)行預(yù)處理，射頻電源功率為50W，時(shí)間為5分鐘。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用納米硅和二氧化硅界面態(tài)來提高非線性光學(xué)性能的方法，其特征是非晶硅生長(zhǎng)時(shí)間從15秒到40秒之間變化，氧化時(shí)間從60秒到120秒；隨著非晶硅層厚度的減小，界面態(tài)密度會(huì)增大。
【文檔編號(hào)】G02F1/355GK103852951SQ201410055784
【公開日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2014年2月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月19日
【發(fā)明者】徐駿, 張培, 張曉偉, 譚大猛, 緒欣, 李偉, 徐嶺, 余林蔚, 陳坤基 申請(qǐng)人:南京大學(xué)