一種在鐵電晶體材料極化過(guò)程中壓制反轉(zhuǎn)疇域側(cè)向生長(zhǎng)的電極結(jié)構(gòu)制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種在鐵電晶體材料極化過(guò)程中壓制反轉(zhuǎn)疇域側(cè)向生長(zhǎng)的電極結(jié)構(gòu)制作方法，用于制備優(yōu)良的鐵電晶體材料（包括LiNbO3、摻MgOLiNbO3、LiTaO3、KTiOPO4等）周期性疇反轉(zhuǎn)光柵。該發(fā)明是基于一系列的電極結(jié)構(gòu)制作處理方法，包括在鐵電晶體材料+z面上制作出梳狀光柵電極、-z面上制作金屬電極、制作+z面除電極外其他區(qū)域的選擇性質(zhì)子交換層以及覆蓋在該交換層上的絕緣介質(zhì)層，通過(guò)本發(fā)明可以獲得在極化過(guò)程中有效地壓制反轉(zhuǎn)疇域側(cè)向生長(zhǎng)的方法，解決了利用外加脈沖電壓方法制作超短周期的周期性極化晶體材料（PPXX）時(shí)所遇到的疇域合并的難題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大厚度（大于1mm）短周期（小于6μm）鐵電晶體材料的周期性極化，最后結(jié)果表明利用該方法所制作的周期性疇反轉(zhuǎn)光柵的垂直性?xún)?yōu)越。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種在鐵電晶體材料極化過(guò)程中壓制反轉(zhuǎn)疇域側(cè)向生長(zhǎng)的電極結(jié)構(gòu)制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到在大厚度短周期鐵電晶體材料中進(jìn)行疇反轉(zhuǎn)光柵制作【技術(shù)領(lǐng)域】，提出了一種可以在鐵電晶體材料極化過(guò)程中壓制反轉(zhuǎn)疇域側(cè)向生長(zhǎng)的電極結(jié)構(gòu)制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]準(zhǔn)相位匹配(QPM)技術(shù)是非線性光學(xué)中的一種重要的相位匹配技術(shù)。它具有很多的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其制作的周期性反轉(zhuǎn)鐵電晶體材料是光頻率轉(zhuǎn)換、光參量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的重要材料，特別是具備鐵電疇反轉(zhuǎn)光柵的準(zhǔn)相位匹配倍頻晶體器件被認(rèn)為是獲得高強(qiáng)度藍(lán)光的重要方法。
[0003]因?yàn)樵诟邷叵?，特別是接近居里溫度時(shí)，鐵電晶體材料的反轉(zhuǎn)疇會(huì)重新倒轉(zhuǎn)，導(dǎo)致其反轉(zhuǎn)光柵的制作優(yōu)良性，所以疇反轉(zhuǎn)光柵的制作方法逐漸向常溫下制作方式發(fā)展。在常溫下塊狀準(zhǔn)相位匹配晶體制作有電子束直接寫(xiě)入法和外加電場(chǎng)控制法。用這些方法制作出大厚度短周期的周期性反轉(zhuǎn)鐵電晶體是目前國(guó)內(nèi)外在此領(lǐng)域的技術(shù)難題。
[0004]在鐵電非線性光學(xué)晶體中施加脈沖電壓進(jìn)行準(zhǔn)相位匹配疇反轉(zhuǎn)光柵的制作是目前常用的一種制作方法。在目前的這些準(zhǔn)相位匹配周期性疇反轉(zhuǎn)鐵電晶體中，PPLN是一種常用的高品質(zhì)材料，其非線性系數(shù)大，可在較短的光程下得到較大的非線性頻率轉(zhuǎn)換。利用外加脈沖電壓制作PPLN等光學(xué)超晶格介質(zhì)，特別是大厚度短周期的疇反轉(zhuǎn)光柵，常常由于制作晶體材料本身的均勻性、極化電極結(jié)構(gòu)以及電壓施加裝置的限制等等因素，所產(chǎn)生的疇反轉(zhuǎn)光柵容易發(fā)生反轉(zhuǎn)疇域合并，這無(wú)疑影響了周期性鐵電晶體材料的品質(zhì)。質(zhì)子交換是將鐵電晶體材料浸在一個(gè)高溫的質(zhì)子交換源中。晶體中的一部分離子(如Li離子)交換質(zhì)子產(chǎn)生一薄PE層，形成類(lèi)似HxLihNbO3的物質(zhì)(X:交換比率)，從而減弱了介電常數(shù)。因此我們通過(guò)一種提出在正ζ面進(jìn)行選擇性質(zhì)子交換以壓制反轉(zhuǎn)疇域側(cè)向生長(zhǎng)的方法解決此類(lèi)完美占空比周期性反轉(zhuǎn)晶體材料的制作困難問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了完成大厚度短周期反轉(zhuǎn)疇制作中容易發(fā)生疇域合并等問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)在鐵電晶體材料中制作疇反轉(zhuǎn)光柵的目的，本專(zhuān)利提供一種極化電極結(jié)構(gòu)制作方法。該方法主要是對(duì)鐵電晶體材料表面的介電常數(shù)進(jìn)行減弱，以降低反轉(zhuǎn)疇側(cè)向生長(zhǎng)的速度，從而達(dá)到壓制反轉(zhuǎn)疇側(cè)向生長(zhǎng)的目的。
[0006]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本專(zhuān)利提供了一種在鐵電晶體材料極化過(guò)程中壓制反轉(zhuǎn)疇域側(cè)向生長(zhǎng)的電極結(jié)構(gòu)制作方法。其步驟如下:
1)首先在對(duì)鐵電晶體材料的+Z面上通過(guò)鍍膜、光刻和腐蝕的工藝方法或者光刻、鍍膜和剝離的工藝方法制作出一種鐵電晶體材料極化所需的電極結(jié)構(gòu)；
2)然后壓制反轉(zhuǎn)疇域側(cè)向生長(zhǎng)的方法是通過(guò)在鐵電晶體材料的+ζ面上，采用質(zhì)子交換的制作方法來(lái)實(shí)現(xiàn)一層選擇性質(zhì)子交換層，它改變了晶體的介電常數(shù)，所以可以有效地遏制反轉(zhuǎn)疇側(cè)向生長(zhǎng)的速度，從而有效地避免鐵電晶體極化過(guò)程中疇域側(cè)向生長(zhǎng)所導(dǎo)致的過(guò)快閉合；
3)接著再通過(guò)在+ζ面空白處覆蓋上絕緣介質(zhì)層，該步驟的制作方法是通過(guò)化學(xué)沉積(或噴涂)、光刻和腐蝕的工藝方法實(shí)現(xiàn)，一方面也可有效地降低介電常數(shù)，另一方面保護(hù)晶體表面的潔凈度，防止尖端放電所導(dǎo)致的極化反轉(zhuǎn)疇生長(zhǎng)的不均勻；
4)最后再在-ζ面上鍍上所需的電極材料金屬，然后將其放至極化裝置中進(jìn)行鐵電晶體材料的極化。
[0007]進(jìn)一步地，本技術(shù)方案所述的質(zhì)子交換方法是將已制作完電極結(jié)構(gòu)的鐵電晶體材料放入富含質(zhì)子的質(zhì)子源中，在200°C左右進(jìn)行質(zhì)子交換，以降低+ζ面中Li離子的個(gè)數(shù)，達(dá)到降低介電常數(shù)的作用，從而有效地壓制了反轉(zhuǎn)疇側(cè)向生長(zhǎng)速度。
[0008]進(jìn)一步地，本技術(shù)方案所述的覆蓋在質(zhì)子交換層上的絕緣介質(zhì)層，包括覆蓋適當(dāng)折射率的SiO2、全氟三丁胺或者硅脂油。覆蓋的厚度為200-1000nm。
[0009]進(jìn)一步地，本技術(shù)方案所述的富含質(zhì)子的質(zhì)子源包括了苯甲酸和焦磷酸等。
[0010]進(jìn)一步地，本技術(shù)方案所述的鐵電晶體材料，其所采用的鐵電晶體材料為純鈮酸鋰LiNbO3、摻MgO鈮酸鋰MgO-LiNbO3、鉭酸鋰LiTaO3、磷酸氧鈦鉀KTiOPO4 (KTP)、Nd3+擴(kuò)散鈮酸鋰Nd3+= LiNbO3、Er3+擴(kuò)散鈮酸鋰Er3+:LiNbO3、砷酸鈦氧銣RbTiOAsO4 (RTA)、鈮酸鍶鋇Sra6Baa4Nb2O6 S (SBN)、氟化鋇鎂 BaMgF4 或硝酸鉀 KNO3。
[0011]進(jìn)一步地，本技術(shù)方案所述的一種在鐵電晶體材料極化所需的電極結(jié)構(gòu)，其特征包括了主干電極部分和梳狀光柵電極部分，具體形狀如圖2所示。主干電極部分電極寬度為f 4mm，梳狀光柵電極部分電極寬度為0.0Of0.002mm,晶體極化周期根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置。
[0012]進(jìn)一步地，本技術(shù)方案所述的鐵電晶體+ζ和-ζ面上的金屬極化電極結(jié)構(gòu)，其特征在于:所描述的極化電極結(jié)構(gòu)所采用的電極材料包括Al電極、Cr電極、Au電極以及其他合金材料的電極，電極的厚度約為2(T80nm。
[0013]進(jìn)一步地，本技術(shù)方案中所述的鐵電晶體+ζ面上的金屬極化電極結(jié)構(gòu)，其特征在于:所描述的極化電極結(jié)構(gòu)在鐵電疇方向呈周期性變化或準(zhǔn)周期性變化。
[0014]本專(zhuān)利解決其技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是在正面(+Z面)對(duì)電極結(jié)構(gòu)外的鐵電晶體材料進(jìn)行選擇性質(zhì)子交換，晶體中的一部分離子(如Li離子)交換質(zhì)子產(chǎn)生一薄PE層，形成類(lèi)似HxLUbO3的物質(zhì)(X:交換比率)，從而減弱了介電常數(shù)，這樣使得反轉(zhuǎn)疇在側(cè)邊上的生長(zhǎng)得到有效的壓制，參考文獻(xiàn)見(jiàn)Kiminori Mizuuchi and KazuhisaYamamoto, Appl.Phys.Lett.66 (22), 29 May 1995 ;并對(duì)在正面(+ζ面)除電極結(jié)構(gòu)外的鐵電晶體材料覆蓋上SiO2等絕緣性掩膜層，以解決在反轉(zhuǎn)過(guò)程中由于微小放電造成不必要的隨機(jī)疇反轉(zhuǎn)。根據(jù)上述方案可以有效地控制極化過(guò)程中反轉(zhuǎn)疇側(cè)向的過(guò)快生長(zhǎng)。
[0015]本專(zhuān)利的有益結(jié)果是，采用鐵電材料極化電極結(jié)構(gòu)制作方法，用于鐵電晶體材料的疇反轉(zhuǎn)光柵制作，可以有效地控制極化過(guò)程中反轉(zhuǎn)疇側(cè)向的過(guò)快生長(zhǎng)，從而更容易得到完美占空比的周期性極化晶體。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是本發(fā)明所述的在鐵電晶體材料極化過(guò)程中壓制反轉(zhuǎn)疇域側(cè)向生長(zhǎng)的電極結(jié)構(gòu)制作方法的具體步驟圖；
圖2是本發(fā)明所提出的電極結(jié)構(gòu)平視圖；
圖3是本發(fā)明所提出的電極結(jié)構(gòu)俯視圖；
圖4是本發(fā)明所采用的電壓施加方式圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0018]實(shí)施例:
本實(shí)例中，通過(guò)此種極化獲得周期為5.3 μ m，厚度為1_的周期性極化鈮酸鋰晶體，應(yīng)用于488nm藍(lán)光輸出。具體實(shí)施步驟如下:
在鐵電晶體材料極化過(guò)程中壓制反轉(zhuǎn)疇域側(cè)向生長(zhǎng)的電極結(jié)構(gòu)制作方法，該方法主要是對(duì)鐵電晶體材料表面的介電常數(shù)進(jìn)行減弱，以降低反轉(zhuǎn)疇側(cè)向生長(zhǎng)的速度，從而達(dá)到壓制反轉(zhuǎn)疇側(cè)向生長(zhǎng)的目的。其制作的步驟如下:
首先在鐵電晶體材料I的+ζ面2上通過(guò)鍍膜、光刻和腐蝕的工藝方法或者光刻、鍍膜和剝離的工藝方法制作出一種鐵電晶體材料極化所需的電極結(jié)構(gòu)4 (如圖2所示)，在-ζ面6也鍍上相同條件的金屬膜；
然后，將晶體表面清洗干凈，然后放入富含質(zhì)子的質(zhì)子源中，質(zhì)子源溫度為200°C，放置時(shí)間約為150分鐘，可以得到選擇性質(zhì)子交換層3 ;取出后，將其清洗干凈；
接著，在+ζ面2上覆蓋上一層SiO2或其他相似絕緣掩膜層5，厚度為200-1000nm。經(jīng)過(guò)處理，露出主干電極部分，以便用于外加脈沖電壓的施加；其中+ζ面2的電極41作為正電極，電極42接地，-ζ面6上的金屬膜7作為負(fù)電極；
最后將其用于鐵電晶體的極化裝置中進(jìn)行極化，如圖4所示，圖中9為放大器，8為反轉(zhuǎn)疇生長(zhǎng)模型，10為接地線。
[0019]所描述的質(zhì)子交換方法是將已制作完電極結(jié)構(gòu)的鐵電晶體材料I放入富含質(zhì)子的質(zhì)子源中，在200°C左右進(jìn)行質(zhì)子交換，以降低+ζ面2中Li離子的個(gè)數(shù)，達(dá)到降低介電常數(shù)的作用，從而有效地壓制了反轉(zhuǎn)疇側(cè)向生長(zhǎng)速度。
[0020]質(zhì)子交換過(guò)程的制作時(shí)間，一般根據(jù)鐵電晶體材料的不同，時(shí)間在20到250分鐘之間。
[0021]覆蓋在質(zhì)子交換層上的絕緣介質(zhì)層5，為覆蓋適當(dāng)折射率的SiO2、全氟三丁胺或者硅脂油，覆蓋的厚度為200-1000nm。
[0022]鐵電晶體材料，其所采用的鐵電晶體材料I為純鈮酸鋰LiNbO3、摻MgO鈮酸鋰Mg0-LiNb03、鉭酸鋰 LiTaO3、磷酸氧鈦鉀 KTiOPO4 (KTP)、NcT 擴(kuò)散鈮酸鋰 Nd3+:LiNb03、Er3+擴(kuò)散鈮酸鋰 Er3+= LiNbO3、砷酸鈦氧銣 RbTiOAsO4 (RTA)、鈮酸鍶鋇 Sra6Baa4Nb2O6 S (SBN)、氟化鋇鎂BaMgF4或者硝酸鉀KNO3。
[0023]富含質(zhì)子的質(zhì)子源包括了苯甲酸和焦磷酸。
[0024]一種在鐵電晶體材料極化所需的電極結(jié)構(gòu)4包括了主干電極部分和梳狀光柵電極部分，主干電極部分電極寬度為1~4_，梳狀光柵電極部分電極寬度為0.001-0.002mm,晶體極化周期根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置。
[0025]鐵電晶體+ζ面2和-ζ面6上的金屬極化電極結(jié)構(gòu)所采用的電極材料為Al電極、Cr電極或者Au電極，電極的厚度約為2(T80nm。
[0026]鐵電晶體+ζ面2上的金屬極化電極結(jié)構(gòu)4在鐵電疇方向呈周期性變化或準(zhǔn)周期性變化。
[0027]本實(shí)例中的電極是根據(jù)在鐵電晶體中的疇生長(zhǎng)規(guī)律以及實(shí)驗(yàn)所需而定。
[0028]以上以用于488nm藍(lán)光輸出的周期性極化晶體的電極結(jié)構(gòu)制作方法為例說(shuō)明了本發(fā)明的基本思想，顯然本發(fā)明還可以用于其它周期性極化晶體的制作。所以本實(shí)例并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.在鐵電晶體材料極化過(guò)程中壓制反轉(zhuǎn)疇域側(cè)向生長(zhǎng)的電極結(jié)構(gòu)制作方法，該方法主要是對(duì)鐵電晶體材料表面的介電常數(shù)進(jìn)行減弱，以降低反轉(zhuǎn)疇側(cè)向生長(zhǎng)的速度，從而達(dá)到壓制反轉(zhuǎn)疇側(cè)向生長(zhǎng)的目的其制作的步驟如下: 1)首先在對(duì)鐵電晶體材料的+Z面上通過(guò)鍍膜、光刻和腐蝕的工藝方法或者光刻、鍍膜和剝離的工藝方法制作出一種鐵電晶體材料極化所需的電極結(jié)構(gòu)； 2)然后壓制反轉(zhuǎn)疇域側(cè) 向生長(zhǎng)的方法是通過(guò)在鐵電晶體材料的+ζ面上，采用質(zhì)子交換的制作方法來(lái)實(shí)現(xiàn)一層選擇性質(zhì)子交換層，它改變了晶體的介電常數(shù)； 3)接著再通過(guò)在+z面空白處覆蓋上絕緣介質(zhì)層，該步驟的制作方法是通過(guò)化學(xué)沉積(或噴涂)、光刻和腐蝕的工藝方法實(shí)現(xiàn)； 4)最后再在-z面上鍍上所需的電極材料金屬，然后將其放至極化裝置中進(jìn)行鐵電晶體材料的極化。
2.根據(jù)權(quán)利I所述的在鐵電晶體材料極化過(guò)程中壓制反轉(zhuǎn)疇域側(cè)向生長(zhǎng)的電極結(jié)構(gòu)制作方法，其特征包括所描述的質(zhì)子交換方法是將已制作完電極結(jié)構(gòu)的鐵電晶體材料放入富含質(zhì)子的質(zhì)子源中，在200°C左右進(jìn)行質(zhì)子交換，以降低+z面中Li離子的個(gè)數(shù)，達(dá)到降低介電常數(shù)的作用，從而有效地壓制了反轉(zhuǎn)疇側(cè)向生長(zhǎng)速度。
3.根據(jù)權(quán)利I和權(quán)利2所述的質(zhì)子交換過(guò)程的制作時(shí)間，一般根據(jù)鐵電晶體材料的不同，時(shí)間在20到250分鐘之間。
4.根據(jù)權(quán)利1所述的覆蓋在質(zhì)子交換層上的絕緣介質(zhì)層，包括覆蓋適當(dāng)折射率的SiO2、全氟三丁胺或者硅脂油，覆蓋的厚度為200-1000nm。
5.根據(jù)權(quán)利I所述的鐵電晶體材料，其所采用的鐵電晶體材料為純鈮酸鋰LiNb03、摻MgO鈮酸鋰Mg0-LiNb03、鉭酸鋰LiTa03、磷酸氧鈦鉀KTiOPO4 (KTP)、Nd3+擴(kuò)散鈮酸鋰Nd3+:LiNb03、Er3+擴(kuò)散鈮酸鋰Er3+= LiNbO3、砷酸鈦氧銣RbTiOAsO4 (RTA)、鈮酸鍶鋇Sra6Baa4Nb2O6 S (SBN)、氟化鋇鎂 BaMgF4 或者硝酸鉀 KNO3。
6.根據(jù)權(quán)利2所述的富含質(zhì)子的質(zhì)子源包括了苯甲酸和焦磷酸。
7.根據(jù)權(quán)利1所述的一種在鐵電晶體材料極化所需的電極結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括了主干電極部分和梳狀光柵電極部分，主干電極部分電極寬度為1~4_，梳狀光柵電極部分電極寬度為0.01-0.002mm,晶體極化周期根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置。
8.根據(jù)權(quán)利5所述的鐵電晶體+ζ和-ζ面上的金屬極化電極結(jié)構(gòu)，其特征在于:所描述的極化電極結(jié)構(gòu)所采用的電極材料包括Al電極、Cr電極、Au電極以及其他合金材料的電極，電極的厚度約為20-80nm。
9.根據(jù)權(quán)利5所述的鐵電晶體+ζ面上的金屬極化電極結(jié)構(gòu)，其特征在于:所描述的極化電極結(jié)構(gòu)在鐵電疇方向呈周期性變化或準(zhǔn)周期性變化。
【文檔編號(hào)】G02F1/355GK103901698SQ201410068517
【公開(kāi)日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年2月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月27日
【發(fā)明者】梁萬(wàn)國(guó), 陳懷熹, 宋國(guó)才 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所