[發(fā)明專利]一種硅上直接生長高摻雜釔鐵石榴石薄膜的制備方法

有效

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• 申請日: 2016-02-26
• 公開（公告）號: CN105714379B
• 公開（公告）日: 2018-07-27
• 發(fā)明（設計）人: 畢磊;張燕;王闖堂;鄧龍江
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學
• 主分類號: C30B29/28
• 分類號: C30B29/28;C30B23/00
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 張楊

本發(fā)明屬于磁性氧化物薄膜的生長技術領域，具體涉及一種硅上直接生長高摻雜釔鐵石榴石薄膜的制備方法。本發(fā)明通過改變稀土摻雜釔鐵石榴石薄膜生長過程中的激光能量密度1.8J/cm²至4.0J/cm²、薄膜沉積溫度400℃至850℃以及薄膜沉積氣壓1mTorr至20mTorr。將在硅基底上生長釔鐵石榴石薄膜中的稀土摻雜濃度由原來的33％提高到了50％，材料在光通信1550nm波長的法拉第旋光常數(shù)由2800度/厘米提升為6000度/厘米,極大的增強了材料的磁光性能。

技術領域

本發(fā)明屬于磁性氧化物薄膜的生長技術領域，具體涉及一種硅上直接生長高摻雜釔鐵石榴石薄膜的制備方法。

背景技術

目前在光通訊領域廣泛使用的隔離器，盡管器件的尺寸越做越小，但仍屬于分立器件。這種器件采用磁光單晶材料，需要精確地制作其部件及仔細地進行校準，因而制作成本高，且制作時間長，系統(tǒng)不能集成，封裝困難。若能將磁光材料和器件集成到半導體芯片上，將大大減小了器件尺寸，和生產(chǎn)成本，提高系統(tǒng)集成度。

目前，由于大量的半導體光學器件如探測器，激光器等是在硅上集成的，這就要求非互易光學器件和磁光材料也能夠在硅上單片集成，因此是國際上集成光學研究的研究熱點和重要發(fā)展方向。

在硅基底上制備薄膜中，由于釔鐵石榴石和硅之間存在很大的晶格失配從而造成了液相外延、物理氣相沉積、化學氣相沉積等方法都不能實現(xiàn)釔鐵石榴石薄膜在硅上的外延生長。因此研究多晶石榴石磁光薄膜材料在硅上的集成工藝，研究材料的光學損耗機理和影響磁光性能的因素，對于提高材料磁光優(yōu)值和器件的硅上單片集成就非常重要。

對于硅上生長的釔鐵石榴石磁光薄膜而言，稀土摻雜是提高薄膜磁光效應的主要途徑。在已有的文獻報道中，硅上生長的釔鐵石榴石磁光薄膜稀土元素摻雜含量比較低，制約了材料磁光效應的提高。如Ce摻雜YIG薄膜中，Ce元素在Y位含量僅為33％(Ce₁Y₂Fe₅O₁₂)。因此發(fā)展薄膜集成工藝，提高薄膜材料的稀土離子摻雜含量，提高薄膜磁光性能即法拉第旋光常數(shù)，對制備高性能集成光隔離器具有至關重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述存在問題或不足，本發(fā)明提供了一種硅上直接生長高摻雜釔鐵石榴石薄膜的制備方法，以解決目前高稀土摻雜釔鐵石榴石薄膜難以硅上集成的問題，為硅集成非互易光學器件提供材料基礎。

該硅上直接生長高摻雜釔鐵石榴石薄膜的制備方法，具體包括以下步驟：

步驟1：采用脈沖激光沉積PLD技術，在硅基底上首先沉積一層30-60納米的YIG薄膜作為籽晶層。

步驟2：采用快速退火技術，對步驟1得到的YIG薄膜籽晶層進行快速退火，得到多晶的YIG薄膜。

步驟3：采用PLD技術，在步驟2制得的多晶YIG薄膜上生長稀土摻雜釔鐵石榴石薄膜；其中脈沖激光沉積時能量密度為1.8J/cm²至4.0J/cm²，薄膜的沉積溫度在400℃至850℃，沉積氣壓為1mTorr至20mTorr。

所述步驟1中硅基底在沉積前，先依次采用有機溶劑丙酮,乙醇和去離子水于超聲清潔儀里進行超聲清洗3-5分鐘，清洗完成后，并迅速用氮氣吹干。

本發(fā)明為得到高稀土摻雜的釔鐵石榴石薄膜，在步驟3的PLD技術中采用：

1、激光能量密度的控制：