[發明專利]一種摻鉺氮化鋅薄膜光波導及制備方法

有效

• 申請號: 201410246159.1
• 申請日: 2014-06-05
• 公開（公告）號: CN104007510A
• 公開（公告）日: 2014-08-27
• 發明（設計）人: 王鳳翔;孫舒寧;付剛;陳志華;李雙
• 申請（專利權）人: 山東建筑大學
• 主分類號: G02B6/134
• 分類號: G02B6/134;G02B6/122;G02B6/13
• 代理公司: 濟南泉城專利商標事務所 37218
• 代理人: 張菡

技術領域

????本發明涉及一種半導體材料光波導的制備方法，尤其涉及一種摻鉺氮化鋅薄膜光波導及制備方法。

背景技術

????光波導是現代集成光學研究領域的一個基本單元，它規定光波傳播方向的通道。光波導因其優良的性能、高度的集成化以及低廉的制造成本等特性，在現代光學通信中起著核心重要的作用。光波導的應用十分廣泛，主要有波導激光與波導倍頻器、波導放大器、光路變換器、偏振器、波導分配器、耦合器、調制器、波分復用及解復用器等。由于光波導有著重要的存在價值，一直以來研究人員都在探索者多種方法在不同的材料上制備光波導。新型光波導材料的發崛不僅取決于制備材料的工藝水平，也離不開對材料特性的發崛、研究，材料的特性決定了它的應用屬性。

????近幾十年來，稀土元素離子尤其是鉺離子在光波導制備領域開始嶄露頭角。+3價的鉺離子由于失去了一個6s層和一個4f層的電子而被填滿電子的5p和5f層屏蔽，故不易受由基體材料晶格場的影響。+3價鉺離子在的通信波長下對于光纖通信石英玻璃具有最小的光吸收，1.54μm是現代光纖通信的一個重要窗口，在光波導中引入鉺離子可以提高波導的傳輸增益，因此鉺離子對光波導的研究有重要的價值。

?????離子輻照方法是對半導體材料表面改性的一個很好方法，它可以精確控制受輻照材料內輻照離子的橫向和縱向濃度分布，輻照離子的末端由于核能量損失會造成受輻照材料內的晶格損傷，從而形成一個折射率比襯底折射率低的光學位壘，光學位壘層與材料表面包裹的結構就是光波導層，可以傳播光路。專利CN103472533公開了“一種離子注入制備摻鉺碳化硅光波導的方法”用鉺離子輻照碳化硅層獲得了摻鉺碳化硅光波導。

?????氮化鋅薄膜是一種新興的半導體薄膜材料，具有較高導電率、高載流子遷移率及較低的制備成本和制備溫度，是制造發光二極管的潛在材料。氮化鋅薄膜的禁帶寬度隨制備方法不同而改變，這使得其在全光譜薄膜太陽能電池領域也有重要研究價值。氮化鋅薄膜的折射率受薄膜表面粗糙度和透射率等因素影響，所以制備參數不同，氮化鋅薄膜折射率也隨之改變。關于其折射率的研究目前非常稀少，更不用提基于折射率的氮化鋅光波導的研究了。

發明內容

鑒于在光波導中引入鉺離子可以提高波導的傳輸增益，發明人試圖制備一種摻鉺氮化鋅薄膜光波導。而當發明人根據對比文件1的技術啟示，采用對比文件1公開的方法制備的摻鉺氮化鋅光波導時，發現存在以下問題：所獲得的摻鉺氮化鋅薄膜中含有大量的氧化鋅，另外鉺離子在氮化鋅薄膜層過于分散、射程分布形態差；從而導致摻鉺氮化鋅薄膜的折射率過低，無法形成效率高的通道；無法獲得發光效率高的光波導。

????為了解決采用對比文件1公開的方法制備的摻鉺氮化鋅光波導存在的述問題，發明人進一步對制備條件進行改進優化；發現，將離子輻射方向進行調整，改變退火方式和條件，配合特定的輻照能量、注入劑量和束流密度能意外地在新型半導體薄膜材料氮化鋅薄膜層上制備出鉺離子分布集中在波導層的中間，保證鉺離子受到最大程度的激發，而且薄膜層不含氧化鋅、發光效率明顯提高的摻鉺氮化鋅波導。

本發明的技術方案為：

????一種摻鉺氮化鋅薄膜光波導的制備方法，步驟如下：

???????（1）對石英玻璃基底的氮化鋅薄膜進行光學表面拋光處理，然后清洗、烘干；氮化鋅薄膜厚度為100-800nm；

???????（2）將步驟（1）處理后的氮化鋅薄膜放入真空度為10^-4Pa的加速器靶室內，進行鉺離子輻照氮化鋅薄膜過程，得到摻鉺氮化鋅薄膜樣品；輻照能量300-600KeV，注入劑量10¹⁴-10¹⁶ions/cm²，束流密度0.3-0.8μA/cm²；氮化鋅薄膜表面法線方向與入射離子束方向的夾角為7°；???????

???????（3）將摻鉺氮化鋅薄膜樣品置于氮化爐內在氮氣中進行退火處理，得產品；退火溫度300-800℃，退火過程中持續充入氮氣的量為300-600sccm，退火時間0.5-2.5h。

上述制備方法，輻照劑量太少，則摻鉺氮化鋅光波導的發光效率得不到最大的提高；劑量太大，則會造成濃度猝滅效應，光波導失去傳播光束的作用；所用注入劑量優選為5×10¹⁵ions/cm²。