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磁控溅射法制备硅基LiNbO_3光波导薄膜材料研究

余凌  
【摘要】: LiNbO_3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LiNbO_3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LiNbO_3薄膜引起了人们的关注。与体单晶相比,异质LiNbO_3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LiNbO_3薄膜,相比其它薄膜生长技术,射频磁控溅射法有许多优势。硅材料作为半导体微电子工业的基石,在硅衬底上生长LiNbO_3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LiNbO_3薄膜的研究具有非常重要的意义。 采用缓冲层是改善薄膜生长质量的常用途径,本文采用了Si_3N_4/SiO_2作为缓冲层,波导结构为LiNbO_3/Si_3N_4/SiO_2/Si。介绍了缓冲层(Si_3N_4/SiO_2)的作用以及制备方法。在Si_3N_4/SiO_2/Si衬底上制备了LiNbO_3薄膜,分析了工艺条件(工作气压、衬底温度、退火温度、氧氩比例)与薄膜质量之间的关系,得出了生长高质量C轴取向LiNbO_3薄膜的优化条件:溅射功率为30W、氧氩比例为4:6,衬底温度为550℃、工作气压为3Pa、快速退火处理(T=700℃,保持时间60s)。 通过多种测试结果的分析表明:在优化条件下生长的LiNbO_3薄膜是一种柱状的多晶结构,具有良好的C轴择优取向性,表面平整和截面清晰。这种高质量的LiNbO_3薄膜在光波导和声表面波器件应用方面具有很大的潜力,有利于光声电器件的集成。


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