利用納米硅和二氧化硅界面態來提高非線性光學性能的方法
【專利摘要】利用納米硅和二氧化硅界面態來提高非線性光學性能的方法，包括以下步驟；1）利用等離子體增強化學氣相淀積技術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/二氧化硅的層數一般為4-16層，通過控制非晶硅的生長時間及原位等離子氧化時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時獲得尺寸和密度不同的材料；2）對非晶硅/二氧化硅多層薄膜進行熱退火處理。本發明可以在較大范圍增強非線性光學系數，還可以調控其非線性光學性能。
【專利說明】利用納米硅和二氧化硅界面態來提高非線性光學性能的方法
【技術領域】:
[0001]本發明涉及非線性光學器件【技術領域】。
【背景技術】:
[0002]自20世紀60年代以來，由于硅的相關技術取得不斷的發展，尤其是硅的平面工藝和微細加工技術的引入，促進了硅集成電路的產生，又由于與之相應的材料，設計和制作技術的進步，使得微電子技術取得了快速的發展，開辟了硅的微電子技術發展的新時代。在此基礎上發展起來的計算機、自動控制和通信等信息技術也得到了飛速的發展。然而，隨著集成度的進一步提高，器件的尺寸也會成比例縮小，出現了許多新效應，如量子隧穿效應，短溝道效應，RC互連延遲等效應，這些都會影響到器件的性能，同時也就限制了集成度的進一步提高。另一方面，隨著超高速電子計算機的飛速發展，現有的邏輯門運算速度已達到PS的階段，而要實現40Gb/s以上的高速傳輸速率，要求光開關等雙穩態器件具有皮秒量級的快速響應時間，然而以現有的微電子技術傳輸如此高速的信息碼，受到了瓶頸阻塞效應的限制，因而遠遠不能與當前的高速光通信相匹配。而微電子技術是以電子作為信息載體，它在器件中的傳輸速度遠低于光子的速度，從而就限制了對信息的處理速度與能力。為了克服半導體器件尺寸縮小帶來的物理極限和互連技術等方面的問題，人們逐漸將目光轉向了光電子。以光子作為信息載體，并且在不改變原有的微電子芯片邏輯結構的前提下，以現有的微電子集成工藝，逐步實現硅基光電子集成，這無疑已經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芯片，得到了小于500ps的調制速度，為實現硅基光電子集成邁出了堅實的一步。然而，作為光開關，光調制等邏輯器件除了要求響應速度快之外，所用的材料還應該具有大的非線性系數。但是由于單晶硅是非極性立方對稱結構，其非線性光學系數很小，因而限制了其在非線性光學器件中的應用。為了克服這一問題，人們嘗試通過制備低維的半導體薄膜材料，利用量子限制效應或界面效應來提高其非線性光學系數。2011年Martinez小組用PECVD制備了納米硅/ 二氧化硅材料，測得其非線性折射率系數為4X10_13Cm2/Wi#-MW(4X10_14Cm2/W)的十倍。并將其制作為光調制器，實現了 IOps的調制速率，比硅材料的調制速度快了一個數量級。但是現有的納米硅材料的非線性光學系數仍然較低，阻礙了實現高性能的硅基非線性光學器件。我們提出了通過引入缺陷態或界面態，通過控制界面態的形態和密度來提高材料的非線性光學系數和性能的技術途徑，并用實際實驗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系數較小，限制了其在光開關，光放大及光調制等非線性光學器件中的應用。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的方法，盡管可以提高材料的非線性光學系數，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系數，在技術上有較大難度，且調節的范圍有限。
【發明內容】
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[0005]本發明目的是:提出了一種利用納米硅/ 二氧化硅多層薄膜中的界面態來調控并提高非線性光學性能的新技術。通過制備硅/二氧化硅多層薄膜來引入界面態可以有效地增強其非線性光學系數，提高材料的非線性光學性能。
[0006]本發明技術方案是，利用納米硅和二氧化硅界面態來提高非線性光學性能的方法，包括以下步驟；
[0007]I)利用等離子體增強化學氣相淀積技術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/ 二氧化硅的層數一般為4-16層，通過控制非晶硅的生長時間及原位等離子氧化時間來控制非晶硅子層和二氧化硅子層的厚度；
[0008]等離子體增強化學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，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間以及等離子氧化的時間，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 ;非晶硅生長時間從15秒到40秒之間變化，氧化時間可以從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時獲得尺寸和密度不同的材料；
[0011]2)對非晶硅/ 二氧化硅多層薄膜進行熱退火處理；在退火前，首先要對樣品進行脫氫處理，以防止薄膜在高溫退火中破裂，脫氫時間為I小時，溫度可以在350-450°C的范圍內選擇；其后在800°C -1000°C的溫度范圍內對生長的樣品進行30-90分鐘的后退火。
·[0012]非線性光學系數的測量。采用Z-scan技術對樣品的非線性吸收系數(β)和非線性折射率系數(?)進行測量。激發光源是Ti sapphire激光器，激發波長為800nm，脈寬50fs,工作頻率為ΙΚΗζ。通過測試發現經過退火后的樣品呈現出了不同的非線性光學特性。
[0013]進一步的，襯底進行預處理，生長薄膜前先用氬氣(Ar)對單晶硅襯底或者石英襯底表面進行預處理，射頻電源功率為50W，時間為5分鐘。
[0014]進一步的，非晶硅生長時間從15秒到40秒之間變化，氧化時間可以從60秒到120
秒。隨著非晶硅層厚度的減小，界面態密度會增大。
[0015]本發明的有益效果:本發明通過制備納米硅/ 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，更為重要的是引入不同的界面態密度，通過調控界面態密度，可以在較大范圍增強非線性光學系數，同時，利用控制界面態(組態和密度)，還可以調控其非線性光學性能，對制備具有不同功能的非線性光學器件有著廣泛的應用。
[0016]硅基的光調制器，超短脈沖及光開關等非線性光學器件是光電集成過程中急需的光學器件，本發明提出了一種基于納米硅/ 二氧化硅多層膜結構，利用納米硅/ 二氧化硅界面態來提高材料的非線性光學系數的方法。在實驗上利用等離子體增強化學氣相淀積(PECVD)技術制備了非晶硅/ 二氧化硅多層薄膜，通過制備不同厚度的非晶硅層以及調節退火溫度來控制界面態，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系數并實現了對材料的非線性光學特性的調控。本發明的特點還在于包括下述:
[0017]I)利用等離子體增強化學氣相淀積(PECVD)技術制備了非晶硅/ 二氧化硅多層薄膜并通過后退火技術來獲得納米硅量子點/二氧化硅材料。整個制備過程操作簡單，由于化學氣相淀積和后退火等半導體工藝均已成熟，有很好的可控性與重復性；
[0018]2)提出了通過調節退火溫度和納米硅尺寸與密度來調控納米硅與二氧化硅界面處的缺陷態密度，實現了材料的非線性吸收特性從反飽和吸收轉變為飽和吸收特性，而材料的非線性折射率特性由自散焦轉變為自聚焦特性；
[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β分別是
4.94Xl(T12cm2/W和-2.3X l(T7cm/W，相比以前報道的納米硅鑲嵌在二氧化硅的材料，其非線性光學系數提高了一個數量級；
[0020]4)與微電子半導體工藝技術相兼容，有利于降低成本和今后的實用化。
【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構，插圖是樣品的高分辨TEM 圖。
[0022]圖2是三個樣品(分別在800，900和1000°C三個退火溫度下)的光吸收曲線。插圖是樣品在近紅外區域的光吸曲線。從圖中可以看出，隨著退火溫度的升高，樣品的光吸收增強。
[0023]圖3是樣品A(黑色曲線)和樣品B(淡色曲線)的光致發光譜。從圖中可以看中樣品B的發光強度是樣品A的十倍，這說明納米硅和二氧化硅界面處的硅氧缺陷態密度有了明顯地增加。我們可以利用光致發光譜作為反映樣品的不同界面態密度的指標。
[0024]圖4 (a)-(c)是樣品(分別在800，900和1000°C三個退火溫度下)的開孔透過率曲線，圖4(d)-(f)分別對應于樣品的閉孔透過率曲線。通過調節退火溫度，實現了材料的非線性吸收由反飽和吸收轉變為飽和吸收特性，同時也使材料的非線性折射從自散焦轉變為了自聚焦特性。激發光是波長為800nm，脈寬為50fs的鎖模激光器。焦點處的激發光強度是1^3.54X10nW/cm2，實線是對實驗數據的擬合曲線。
[0025]圖5 (a)和(b)是樣品A和樣品B兩個樣品分別在光強為^=3.54X10nff/cm2 (深綠色曲線)和I2=3.54X1012W/cm2(淡紅色曲線)激發下的開孔透過率曲線。從圖中可以看出，通過調節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變為反飽和吸收特性。而且改變激發光強也會改變樣品的非線性光學特性。
【具體實施方式】:
[0026]本發明包括以下步驟:
[0027]I)、利用等離子體增強化學氣相淀積技術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及原位等離子氧化時間來控制非晶硅子層的厚度；利用等離子體增強化學氣相淀積技術；
[0028]1-1、襯底預處理。生長薄膜前先用氬氣(Ar)對單晶硅襯底或者石英襯底表面進行預處理，射頻電源功率為50W，時間為5分鐘。預處理的目的是加強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標準毫升每分鐘(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9個周期，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。非晶硅生長時間可以從15秒到40秒之間變化，氧化時間可以從60秒到120秒。不同的生長時間和氧化時間會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時獲得尺寸和密度不同的材料，進而調節材料中的納米硅/ 二氧化硅的界面態密度。一般而言，隨著非晶硅層厚度的減小，界面態密度會增大。
[0030]2)、對非晶硅/ 二氧化硅多層薄膜進行熱退火處理。在退火前，首先要對樣品進行脫氫處理，以防止薄膜在高溫退火中破裂，脫氫時間為I小時，溫度可以在350-450°C的范圍內選擇。其后在800°C-1000°C的溫度范圍內對生長的樣品進行后退火。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密度會隨之增多，由于界面態是在納米硅和二氧化硅之間形成的，因而界面態的密度會隨著納米硅密度的增多而增大。通過調節退火溫度便會很好的調控非晶硅/ 二氧化硅多層薄膜中的界面態密度，進而實現材料的非線性吸收由反飽和吸收到飽和吸收特性的轉變，同時也使材料的非線性折射從自散焦轉變為了自聚焦特性。
[0031]3)、非線性光學系數的測量。采用Z-scan技術對樣品的非線性吸收系數(β )和非線性折射率系數(η2)進行測量。激發光源是T1: sapphire激光器，激發波長為800nm，脈寬50fs，工作頻率為ΙΚΗζ。通過測試發現經過退火后的樣品呈現出了不同的非線性光學特性。
[0032](一)在硅襯底上制備納米硅/二氧化硅多層薄膜:
[0033]利用等離子體增強化學氣相淀積(PECVD)技術在硅襯底上淀積納米硅/ 二氧化硅
多層薄膜。
[0034]1.襯底預處理。生長薄膜前先用氬氣(Ar)對襯底表面進行預處理，射頻電源功率為50W，時間5分鐘。預處理的目的是加強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9個周期，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。脫氫時間為I小時，脫氫溫度可以在350°C ;其后在800°C的溫度范圍內對生長的樣品進行30分鐘的后退火。脫氫溫度與后退火的溫度與時間的范圍內選擇無明顯區別。
[0036]2.具體工藝條件如下:
[0037]
【權利要求】
1.利用納米硅和二氧化硅界面態來提高非線性光學性能的方法，其特征是包括以下步驟； 1)利用等離子體增強化學氣相淀積技術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/ 二氧化硅的層數一般為4-16層，通過控制非晶硅的生長時間及原位等離子氧化時間來控制非晶硅子層和二氧化硅子層的厚度； 等離子體增強化學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，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間以及等離子氧化的時間，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 ;非晶硅生長時間從15秒到40秒之間變化，氧化時間可以從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時獲得尺寸和密度不同的材料； 2)對非晶硅/二氧化硅多層薄膜進行熱退火處理；在退火前，首先要對樣品進行脫氫處理，以防止薄膜在高溫退火中破裂，脫氫時間為I小時，脫氫溫度可以在350-450°C的范圍內選擇；其后在800°C -1000°C的溫度范圍內對生長的樣品進行30-90分鐘的后退火。
2.根據權利要求1所述的利用納米硅和二氧化硅界面態來提高非線性光學性能的方法，其特征是襯底進行預處理，即生長薄膜前先用氬氣對單晶硅襯底或者石英襯底表面進行預處理，射頻電源功率為50W，時間為5分鐘。
3.根據權利要求1所述的利用納米硅和二氧化硅界面態來提高非線性光學性能的方法，其特征是非晶硅生長時間從15秒到40秒之間變化，氧化時間從60秒到120秒；隨著非晶硅層厚度的減小，界面態密度會增大。
【文檔編號】G02F1/355GK103852951SQ201410055784
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年2月19日 優先權日:2014年2月19日
【發明者】徐駿, 張培, 張曉偉, 譚大猛, 緒欣, 李偉, 徐嶺, 余林蔚, 陳坤基 申請人:南京大學