晶圆级薄膜铌酸锂波导制备工艺与性能表征

随着光子集成和光通信技术的快速发展,低损耗波导是实现高效光子传输的关键元件,其性能直接影响整个集成芯片的性能。因此,低损耗波导的制备技术是当前铌酸锂集成光子技术研究的热点和难点。本研究针对晶圆级低损耗薄膜铌酸锂波导的制备工艺进行了深入研究,在4英寸的薄膜铌酸锂晶圆上,基于深紫外光刻和电感耦合等离子体刻蚀技术,成功制备出了传输损耗低于0.15 dB/cm的波导,同时刻蚀深度误差控制在10%以内,极大地提高了波导结构的精确度。此外,本研究还提出了一种基于微环谐振腔的晶圆上波导损耗的表征方案,能更精确地评估波导性能。通过测试,发现所制备的波导合格率超过85%,显示出良好的可重复性和可靠性。本文中发展的晶圆级薄膜铌酸锂加工工艺,对推进铌酸锂波导的大规模制备和应用具有重要意义。     

大尺寸光学级铌酸锂晶体生长及检测方法

本文着重介绍了大尺寸光学级铌酸锂晶体生长方法,实验中采用中频感应加热方式,利用下电子秤自动控制系统,自制热场.成功地解决了以往生长大尺寸铌酸锂晶体时易出现的晶体头部有汽泡,易开裂,生长过程中多晶等难题,生长出了80mm×60mm的优质光学级铌酸锂晶体.并对晶体的消光比、锥光图、居里温度、透过率、抗激光损伤阈值等性能指标进行了测试,得出了相关的结果.     

信息时代的铌酸锂晶体:进展与展望

铌酸锂晶体具有非线性效应、电光效应、声光效应、光折变效应、压电效应与热释电效应等多种物理特性,在表面声波器件、光电器件、声光器件等方面获得广泛的应用.经历了六十多年的发展,铌酸锂晶体历久弥新,随着材料特性的不断开发,新功能、新器件、新应用层出不穷,尤其是铌酸锂单晶薄膜在薄膜滤波器、集成光电器件等领域的性能具有明显优势,...     

铌酸钾锂铁电薄膜的脉冲激光沉积与光学性能

以K2CO3、Li2CO3和Nb2O5为原料,采用固相反应法制备了铌酸钾锂陶瓷;以此为靶材,采用脉冲激光沉积技术在石英玻璃上沉积了铌酸钾锂薄膜,系统研究了沉积温度对铌酸钾锂薄膜组成与结构的影响.利用X射线衍射、拉曼光谱等测试手段对薄膜的结构进行表征,通过紫外一可见光分光光度计测试薄膜的光学透过率.结果表明:所制备的铌酸钾锂靶材结构致密;在衬底温度为700℃、氧分压10 Pa的条件下可以制备纯的铌酸钾锂薄膜,所得到的多晶薄膜呈(310)取向;光学性能测试显示所制备的铌酸钾锂薄膜在可见光范围内的光学透过率为90;左右.     

铌酸锂单晶薄膜材料

铌酸锂晶体集电光、声光和非线性光学等物理特性于一身,且透光范围宽,作为一种重要的光学材料被广泛应用于通信、传感等领域.通过离子注入与直接键合的方式制备出的铌酸锂单晶薄膜材料,保留了铌酸锂体材料的优秀物理特性,并且具有高折射率对比度的优点,使光子器件在集成度和性能上都得到了很大程度的提升.本文介绍了铌酸锂薄膜的制备及应用...     

大尺寸近化学计量比铌酸锂晶体的制备

研究了扩散法制备近化学计量比铌酸锂晶体的工艺,从原料配比、合成方式、晶片放置方式和扩散工艺等方面进行了工艺优化.对不同厚度和切割方向的铌酸锂晶体进行扩散处理,对三英寸Z-cut铌酸锂晶体进行了批量扩散试验,并对扩散后的晶体进行了组分和均匀性测试.结果表明,厚度为3.1 mm的Z-cut晶体组分达到近化学计量比,光学质量达到实用化要求,而XYZ=5.1 mm×5.1 mm×21.0 mm的晶体光学质量较差,同时厚度达1.8mm的Z-cut三英寸近化学计量比铌酸锂晶片可实现批量制备.     

铌酸锂晶体的光折变效应

铌酸锂(LiNbO₃, LN)是一种多功能多用途的人工晶体,被称为“光学硅”。近期以铌酸锂薄膜(LNOI)为平台的集成光子学发展迅速,有将“光学硅”变为现实的趋势。高集成意味着高局域高光强密度,使铌酸锂晶体的光折变效应变得不容忽视。光折变效应是光致折射率变化的简称,是非线性光学的重要组成部分。本文回顾了铌酸锂晶体光折变效应的发现和机理、不同掺杂及掺杂组合对光折变效应的调控,重点介绍了铋镁双掺铌酸锂晶体的光折变性能及相关理论和实验结果,概述了铌酸锂光折变波导和孤子,及基于LNOI的集成光子学器件中的光折变效应,并对未来的研究趋势进行了展望。期待我国发挥铌酸锂光折变研究及LNOI产业化的优势,在光子学芯片的竞争中占据主导地位。     

适温离子交换掺铒铌酸锂薄膜的制备研究

本文通过制备KNO₃和Er(NO₃)₃熔融混合物,将其与铌酸锂薄膜在高温管式炉中混合进行适温热扩散,并结合退火工艺,发明了一种直接在铌酸锂薄膜上掺杂Er³⁺的方法。通过不断变换热扩散温度、掺杂试剂浓度比例和晶体切向等参数,用控制变量法探究了不同参数对适温离子交换法掺杂Er³⁺效果的影响,在热扩散和退火温度360℃及KNO₃和Er(NO₃)₃质量比25∶1的参数设置下获得了表面形貌较佳的Z切掺铒铌酸锂薄膜。通过飞行时间二次离子质谱仪并利用已知掺杂浓度的薄膜进行定标,检测了所获得的掺铒铌酸锂薄膜中的Er³⁺浓度情况,对所采用适温离子交换法的有效性进行了验证。这一方法大幅简化了铌酸锂薄膜掺杂的工艺,同时节约了成本,有助于后续在铌酸锂薄膜平台上实现分区掺杂的工作,为未来定制化铌酸锂光子集成平台的搭建提供参考。     

近化学计量比LiNbO3晶体畴结构研究

利用提拉法,从富锂(Li2O:Nb2O5=58.5:41.5)熔体中生长了φ40mm×40mm的近化学计量比铌酸锂晶体.用同步辐射异常散射技术结合化学腐蚀法观察了晶体中的畴结构,在y方向发现存在180°反向铁电畴结构,而另外的N-SLN单晶z向切片为单畴结构,表明了所生长的近化学计量比铌酸锂晶体具有区域性单畴.     

晶体人生丨祝世宁:从天然结构到人工微结构

与天然或人工晶体结构类似,微结构材料是采用功能基元(即人工微结构,也可称为“人工原子”)加空间序构的方式构筑的新材料体系,它可以实现均匀材料所不具有的超常物性。从半导体超晶格开始,人工微结构经历了光学超晶格、光(声)子晶体、超构材料等的发展,性能调控范围也由原来的电性能扩展到光、声、热、磁、力等。近年来有关铌酸锂晶体及其人工微结构研究举世瞩目,以南京大学为代表的中国科研团队从铌酸锂晶体的畴结构调控开始,在该领域做出许多原创性工作,研究水平居国际前列。展望未来,发展铌酸锂集成光子学还面临三方面的挑战,包括LNOI器件的刻蚀技术、铌酸锂晶圆缺陷和大尺寸铌酸锂薄膜的制备。     

近化学计量比铌酸锂晶体的研究进展

本文总结了近化学计量比铌酸锂晶体的不同生长方法及它们各自的特色,分析了锂铌摩尔比对晶体性能的影响及Li含量的各种表征方法.通过比较看出,采用K2O助熔剂生长近化学计量比铌酸锂晶体是一种较为实用的途径.基于此,我们采用K2O助熔剂提拉法和助熔剂-坩埚下降法生长了近化学计量比铌酸锂晶体,所得晶体的最大尺寸分别达到45mm×60mm和25mm×40mm.     

铌锌酸铅-钛酸铅单晶的生长及性能

本文系统地研究了(1-x)Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-xPbTiO₃(PZN-PT)单晶的光学透过率与结晶取向和组分的关系,发现四方相单晶的透过率明显大于三方相和准同型相界(MPB)。[001]方向极化的四方相PZN-12%PT单晶在0.5~5.8 μm的波段范围内,未镀增透膜的晶片透过率约为65%;准同型相界处PZN-8%PT单晶沿[011]方向极化的单晶透过率高于[001]和[111]方向。随着PT含量变高,单晶带隙逐渐变小。本文中还测量不同组分单晶的折射率,和大多数ABO₃型钙钛矿结构化合物相似,PZN-PT单晶的折射率较大,随着波长的减小其值迅速增大。晶体的色散现象明显,拟合得出各组分晶体的色散方程。利用塞纳蒙补偿法和双光束干涉法测量了电光系数,PZN-PT单晶的电光系数较大,在准同型相界附近其值达到极大,[001]方向极化PZN-8%PT单晶有效电光系数为460 pm/V,比广泛应用的铌酸锂高出20倍。四方相PZN-12%PT单晶有效电光系数为138 pm/V,在20~80 ℃范围内其值变化不大。良好的透光性能和优异的电光性质,使PZN-PT单晶可以满足高速低功耗电光器件的要求。     

高掺锌/镁铌酸锂薄膜的光电性质

室温下采用射频磁控溅射(RFMS)技术在玻璃与硅基板上分别沉积了纯铌酸锂LN薄膜、高掺锌(6%,摩尔分数,下同)LN∶ZnO薄膜和高掺镁(5%)LN∶MgO薄膜,并在575 ℃条件下退火进一步提高薄膜的结晶度。通过原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)、紫外可见吸收(UV-Vis)和椭偏仪等测试研究了三种铌酸锂薄膜的形貌、结构和光学性质。XRD分析表明掺杂铌酸锂薄膜和纯铌酸锂薄膜具有相同的生长取向,AFM、XRD、UV-Vis测试结果表明,掺杂将增大铌酸锂薄膜的晶粒尺寸,光学带隙的红移现象与晶粒尺寸相关,且掺Mg的影响大于掺Zn。此外利用霍尔效应测试仪研究了LN、LN∶ZnO和LN∶MgO薄膜的电学性质,测试结果表明三种薄膜均为n型半导体,其中LN∶MgO薄膜电导率的变化趋势不同于LN∶ZnO和LN薄膜,且发现温度在18~50 ℃范围内,随着温度的升高,LN∶MgO薄膜的电导率变化微小,而LN∶ZnO和LN薄膜的电导率逐渐增大。     

济南晶正电子科技有限公司

济南晶正电子科技有限公司成立于2010年,位于济南章锦综合保税区,是一家致力于纳微米级厚度光电、压电单晶薄膜材料研发、生产及销售的高新技术企业。在国家、省、市各部门大力支持下,依靠山东大学多年的理论和实验积累,研发团队成功突破了离子注入及晶片键合关键技术,开发出纳米厚度铌酸锂单晶薄膜材料产品。产品具有自主知识产权,并拥有多项相关技术专利。
公司产品涵盖多种规格晶体薄膜材料,可用于制作高性能调制器、滤波器、探测器、晶振及高密度信息存储器件等,在光电、压电、铁电、太赫兹、红外探测等领域具有广阔的发展前景,能够带来巨大经济效益和社会效益。公司占地39亩,拥有生产基地及研发中心2万平方米,研发人员30余人,拥有完整生产线,产品销往国内外百余家研究机构及多家国际知名科技公司。在未来的发展中,公司将以纳米级铌酸锂单晶薄膜产品为龙头,建成面向全球的铌酸锂和钽酸锂单晶薄膜系列产品的生产、研发基地,创世界一流品牌,打造一流国际化企业。     

薄膜铌酸锂光电探测器近期研究进展

铌酸锂晶体具有高电光、压电和非线性光学系数,宽光学透明范围、兼容速度匹配、相位匹配和色散工程,长期稳定性以及可低成本制备光学级晶圆等众多优势,作为构筑如电光调制器、光学频率梳、光波导等光电子器件的重要平台,在信息通信领域的光产生、光传输、光调制等领域大放异彩,被誉为“光子领域的硅”,具有巨大的集成应用潜力,受到学术界和产业界的广泛关注。然而,由于铌酸锂的绝缘体和弱光学吸收特性,基于铌酸锂平台的集成应用领域还面临光电转换效率低和探测难的问题,全光通信中光解调和光提取需要高性能探测器的支撑,因此研发基于铌酸锂的光电探测器具有重大的科学意义和应用价值。本文从铌酸锂的基本结构特性出发,详细介绍了铌酸锂的优异物性和光电转化机理,综述了国内外学者近期的一些研究成果,重点阐述了基于铌酸锂晶体的光波导集成型光电探测器和异质结型光电探测器的研究进展,探讨并比较了不同路线的优点和发展潜力,并对该领域提出展望。     

掺镝近化学计量比铌酸锂晶体的光谱性质

利用提拉法,在锂铌比为58.5/41.5的富锂熔体中生长了质量良好的掺镝近化学计量比铌酸锂(Oy:NSLN)单晶,生长晶体的尺寸为φ25mm×35 mm.测量了晶体的室温吸收谱,并根据Judd-Ofeh理论,拟合出Oy3 离子的晶体场唯象强度参数:Ω2=4.8130×10-20,Ω4 =2.6140 × 10-20, Ω6=2.2448×10-20.计算了各能级的跃迁辐射几率A1,1,振子强度P1,1, 辐射寿命r,荧光分支比β1等,并根据这些光学参量讨论了该晶体的部分性能和应用前景.     

高掺镁铌酸锂晶体OH-吸收光谱的低温研究

本文测量了纯铌酸锂和高掺镁铌酸锂晶体的低温红外光谱,观察了OH-吸收峰的温度依赖特性.研究发现纯铌酸锂的OH-振动吸收峰基本不随温度而变化,而高掺镁铌酸锂晶体的OH-振动吸收峰的主峰峰位随温度的降低向高波数方向移动.通过分析两种晶体中不同的缺陷模型以及H+在晶格中的占位,我们提出高掺镁铌酸锂晶体中的H+紧邻高电性杂质缺陷(MgNb)3-分布,直接参与缺陷集团,完全不同于纯铌酸锂晶体中H+的分布情形,这造成了高掺镁铌酸锂晶体中OH-振动吸收峰随温度的变化.而集团内部缺陷之间相互作用随温度降低而增强的趋势是OH-振动吸收峰右移的主要原因.     

四价掺杂铌酸锂晶体抗光折变性能研究

我们在同成份铌酸锂晶体中掺入四价离子铪,生长了掺杂浓度分别为2、4、6mol;的掺铪铌酸锂系列晶体.掺铪浓度达到4mol;时,晶体的抗光损伤能力为5×105W/cm2,比同成份纯铌酸锂晶体提高了4个数量级.应用全息法测得掺4、6mol;铪的铌酸锂晶体最大折射率变化为8.7×10-6,与高掺镁(6.5mol;)铌酸锂晶体的类似.晶体的红外吸收谱和紫外-可见光吸收谱也显示,掺杂浓度为4mol;时具有明显的阈值特征.由此可以确定铪离子在铌酸锂晶体中的阈值浓度约为4mol;.     

富锂熔体中提拉法生长近化学计量比铌酸锂(LiNbO3)晶体

利用提拉法,在富锂(Li2O∶NbO3=58.5/41.5)熔体中生长了质量良好的近化学计量比铌酸锂单晶,其紫外吸收边位置为308nm,居里温度超过了1200℃.测量了其Z向晶片的压电系数d33,并且观察了Z向晶片的180°畴,结果证明除少数区域外,所生长晶体为单畴.     

铌酸钾锂晶体的生长和缺陷

用电阻加热提拉法生长了一系列较大尺寸,组分离子均匀性较好的铌酸钾锂晶体.利用X射线荧光光谱法测量了不同配比的熔体中生长出的晶体组成,用同步辐射X射线测量了晶体结构,结果表明随晶体组成变化,晶体的晶格常数发生了变化.根据晶体组分离子浓度与折射率的关系研究了晶体折射率变化情况,结果表明用本方法生长的大尺寸KLN晶体,寻常折射率no在测量误差范围内没有变化,非寻常折射率ne的变化率在820nm仅为1.22×10-4/mm,在410nm仅为1.93×10-4/mm.晶体的干涉条纹证明了晶体有良好的光学均匀性.结合晶体生长实验,探讨了改进晶体组分离子浓度分布均匀性的方法,结果表明采用籽晶和坩锅向相同方向旋转可以改善晶体生长界面处组分离子浓度的波动,提高晶体组分离子均匀性.晶体的缺陷研究表明晶体结构完整性较好,位错形状与晶体结构相一致,密度为7.5×104,[001]轴是晶体的极化轴.晶体对890～960nm波长范围的cw-Ti:sapphire激光倍频结果表明晶体有良好的倍频性能.