脉冲激光沉积法制备硅基LiNbO3薄膜及其性能研究

论文题目: 脉冲激光沉积法制备硅基LiNbO3薄膜及其性能研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 材料物理与化学

作者: 王新昌

导师: 叶志镇

关键词: 薄膜,硅基,轴取向,脉冲激光沉积,光波导,等化学计量比

文献来源: 浙江大学

发表年度: 2005

论文摘要: LiNbO3因具有优异的电光、压电、非线性光学等特性,已被广泛应用于声表面波及集成光学器件中。制备集成光学器件常需将LiNbO3制成各种形式的光波导结构,但传统方法制备的光波导薄膜存在较多的缺点,因而异质LiNbO3薄膜引起了人们的关注。与体单晶相比,异质LiNbO3薄膜具有明显的优势,如可以获得较大的波导膜与衬底折射率差。至今人们已经采用多种薄膜生长技术来制备异质LiNbO3薄膜,相比其它薄膜生长技术,脉冲激光沉积法具有能保持靶与薄膜组分一致的优点,在多元氧化物薄膜制备方面有着独特的优势。硅材料作为半导体微电子工业的基石,在硅衬底上生长LiNbO3薄膜与目前半导体工艺兼容,有利于光电集成且价格低廉,具有广阔的应用前景。因而,开展硅基LiNbO3薄膜的研究具有非常重要的意义。 本文在总结了LiNbO3薄膜制备研究现状的基础上,利用PLD技术对硅基LiNbO3薄膜的生长及性能进行了研究,为了与硅基上制备的LiNbO3薄膜进行比较,作者还对蓝宝石衬底上制备的LiNbO3薄膜的质量及性能进行了研究。通过研究得出以下主要结果: 1.首次在未施加诱导电场和缓冲层的情况下采用PLD技术在SiO2/Si衬底上生长出了具有良好晶体质量的完全c轴取向LiNbO3薄膜。系统研究了工艺参数对LiNbO3薄膜质量的影响,获得了生长LiNbO3薄膜的最佳工艺参数:衬底温度约为600℃,氧压约为30Pa,激光能量密度为3.2-3.7J/cm2,激光频率约为3Hz,靶材与衬底距离约为4cm,非晶SiO2过渡层厚度约为230nm。 2.等化学计量比LiNbO3薄膜的生长是薄膜制备中的难点。作者借助XPS、SIMS测试,发现通过优化工艺参数采用等化学计量比的LiNbO3陶瓷靶材在SiO2/Si衬底上生长出了等化学计量比的LiNbO3薄膜,且薄膜组分随深度变化均匀。初步探讨了SiO2/Si衬底上LiNbO3薄膜的生长机制,提出了其生长模型。 3.成功地在SiO2/Si衬底上制得低传输损耗的LiNbO3薄膜,最低传输损耗为1.14dB/cm,优于文献报道硅基LiNbO-3薄膜的传输损耗。表面形貌作为影响传输损耗的一个重要因素,本文分析了衬底温度和激光频率对薄膜粗糙度的

论文目录:

摘要

Abstract

第一章 前言

第二章 文献综述

2.1 LiNbO_3的晶体结构

2.2 LiNbO_3的性质及性能

2.2.1 电光效应

2.2.2 非线性光学效应

2.2.3 压电效应

2.3 LiNbO_3在光波导领域的应用

2.3.1 光波导简介

2.3.2 LiNbO_3光波导器件

2.4 LiNbO_3薄膜的研究现状

2.5 LiNbO_3薄膜的制备技术

2.5.1 溅射法(sputtering)

2.5.2 溶胶-凝胶法(sol-gel)

2.5.3 金属有机物化学气相沉积(MOCVD)

2.6 本文的研究内容

参考文献

第三章 实验原理和实验过程

3.1 脉冲激光沉积原理

3.1.1 脉冲激光沉积概述

3.1.2 PLD的基本原理

3.2 PLD实验系统简介

3.3 LiNbO_3薄膜的生长工艺

3.4 LiNbO_3薄膜性能评价

参考文献

第四章 SiO_2／Si衬底上LiNbO_3薄膜的制备

4.1 工艺参数对LiNbO_3薄膜质量的影响

4.1.1 生长气氛

4.1.2 衬底温度对LiNbO_3薄膜的影响

4.1.3 氧压对LiNbO_3薄膜的影响

4.1.4 靶材与衬底的距离对LiNbO_3薄膜的影响

4.1.5 激光能量密度对LiNbO_3薄膜的影响

4.1.6 激光重复频率对LiNbO_3薄膜的影响

4.1.7 SiO_2的厚度对LiNbO_3薄膜的影响

4.2 工艺参数对晶粒的影响

4.2.1 衬底温度对晶粒尺寸的影响

4.2.2 激光频率对晶粒尺寸的影响

4.3 小结

参考文献

第五章 LiNbO_3薄膜表面形貌及生长机制研究

5.1 LiNbO_3薄膜的表面形貌

5.1.1 衬底温度对薄膜表面粗糙度的影响

5.1.2 激光重复频率对薄膜表面粗糙度的影响

5.2 LiNbO_3薄膜的组成分析

5.2.1 薄膜表面组分分析

5.2.2 薄膜纵向组成分析

5.3 LiNbO_3薄膜的生长机制

5.4 小结

参考文献

第六章 LiNbO_3薄膜微结构及光学性能研究

6.1 LiNbO_3薄膜的微结构分析

6.2 LiNbO_3薄膜的光学性能

6.2.1 测试原理

6.2.2 衬底温度对LiNbO_3薄膜光学性能的影响

6.2.3 氧压对LiNbO_3薄膜光学性能的影响

6.3 小结

参考文献

第七章 Si(111)衬底上LiNbO_3薄膜的研究

7.1 LiNbO_3薄膜的制备

7.1.1 衬底温度对LiNbO_3薄膜的影响

7.1.2 氧压对LiNbO_3薄膜的影响

7.1.3 激光频率对LiNbO_3薄膜的影响

7.1.4 靶材与衬底的距离对LiNbO_3薄膜的影响

7.2 LiNbO_3薄膜的形貌

7.3 退火对薄膜质量的影响

7.4 小结

参考文献

第八章 ZnO／Si衬底上LiNbO_3薄膜的研究

8.1 LiNbO_3薄膜的沉积

8.1.1 缓冲层厚度对LiNbO_3薄膜的影响

8.1.2 衬底温度对LiNbO_3薄膜的影响

8.1.3 氧压对LiNbO_3薄膜的影响

8.1.4 靶材与衬底的距离对LiNbO_3薄膜的影响

8.2 LiNbO_3薄膜的表面形貌

8.3 薄膜的组分分析

8.4 小结

参考文献

第九章 蓝宝石衬底上LiNbO_3薄膜的研究

9.1 薄膜的晶体学分析

9.2 薄膜的表面形貌

9.4 薄膜的光学性能分析

9.5 不同衬底上薄膜的晶体质量及表面形貌比较

9.6 小结

参考文献

第十章 总结

致谢

附：在读期间发表和接收的论文

发布时间: 2006-05-10

参考文献

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