CN104007510B

CN104007510B - 一种掺铒氮化锌薄膜光波导及制备方法

Info

Publication number: CN104007510B
Application number: CN201410246159.1A
Authority: CN
Inventors: 王凤翔; 孙舒宁; 付刚; 陈志华; 李双
Original assignee: Shandong Jianzhu University
Current assignee: Shandong Jianzhu University
Priority date: 2014-06-05
Filing date: 2014-06-05
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2034-06-05
Also published as: CN104007510A

Abstract

本发明涉及一种半导体材料光波导的制备方法，尤其涉及一种掺铒氮化锌薄膜光波导及制备方法。本发明首次在氮化锌这种新型半导体材料薄膜层尝试进行铒离子掺杂，并证明离子辐照技术制备掺铒氮化锌光波导是可行的，为氮化锌光波导的发展前景提供了一个巨大的推力。本发明进行铒离子辐照氮化锌薄膜过程中辐照能量300-600KeV，注入剂量10¹⁴-10¹⁶ions/cm²，束流密度0.3-0.8μ<i>A</i>/cm²；氮化锌薄膜表面法线方向与入射离子束方向的夹角为7°；掺铒氮化锌薄膜样品用氮化炉内在氮气中进行退火处理。所制得掺铒氮化锌光波导中无氧化锌混入，纯度高。铒离子分布成高斯分布，最大浓度集中在薄膜中部，发光效率明显提高，荧光强度增益4%-15%。

Description

一种掺铒氮化锌薄膜光波导及制备方法

技术领域

本发明涉及一种半导体材料光波导的制备方法，尤其涉及一种掺铒氮化锌薄膜光波导及制备方法。

背景技术

光波导是现代集成光学研究领域的一个基本单元，它规定光波传播方向的通道。光波导因其优良的性能、高度的集成化以及低廉的制造成本等特性，在现代光学通信中起着核心重要的作用。光波导的应用十分广泛，主要有波导激光与波导倍频器、波导放大器、光路变换器、偏振器、波导分配器、耦合器、调制器、波分复用及解复用器等。由于光波导有着重要的存在价值，一直以来研究人员都在探索者多种方法在不同的材料上制备光波导。新型光波导材料的发崛不仅取决于制备材料的工艺水平，也离不开对材料特性的发崛、研究，材料的特性决定了它的应用属性。

近几十年来，稀土元素离子尤其是铒离子在光波导制备领域开始崭露头角。+3价的铒离子由于失去了一个6s层和一个4f层的电子而被填满电子的5p和5f层屏蔽，故不易受由基体材料晶格场的影响。+3价铒离子在的通信波长下对于光纤通信石英玻璃具有最小的光吸收，1.54μm是现代光纤通信的一个重要窗口，在光波导中引入铒离子可以提高波导的传输增益，因此铒离子对光波导的研究有重要的价值。

离子辐照方法是对半导体材料表面改性的一个很好方法，它可以精确控制受辐照材料内辐照离子的横向和纵向浓度分布，辐照离子的末端由于核能量损失会造成受辐照材料内的晶格损伤，从而形成一个折射率比衬底折射率低的光学位垒，光学位垒层与材料表面包裹的结构就是光波导层，可以传播光路。专利CN103472533公开了“一种离子注入制备掺铒碳化硅光波导的方法”用铒离子辐照碳化硅层获得了掺铒碳化硅光波导。

氮化锌薄膜是一种新兴的半导体薄膜材料，具有较高导电率、高载流子迁移率及较低的制备成本和制备温度，是制造发光二极管的潜在材料。氮化锌薄膜的禁带宽度随制备方法不同而改变，这使得其在全光谱薄膜太阳能电池领域也有重要研究价值。氮化锌薄膜的折射率受薄膜表面粗糙度和透射率等因素影响，所以制备参数不同，氮化锌薄膜折射率也随之改变。关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锌光波导的研究了。

发明内容

鉴于在光波导中引入铒离子可以提高波导的传输增益，发明人试图制备一种掺铒氮化锌薄膜光波导。而当发明人根据对比文件1的技术启示，采用对比文件1公开的方法制备的掺铒氮化锌光波导时，发现存在以下问题：所获得的掺铒氮化锌薄膜中含有大量的氧化锌，另外铒离子在氮化锌薄膜层过于分散、射程分布形态差；从而导致掺铒氮化锌薄膜的折射率过低，无法形成效率高的通道；无法获得发光效率高的光波导。

为了解决采用对比文件1公开的方法制备的掺铒氮化锌光波导存在的述问题，发明人进一步对制备条件进行改进优化；发现，将离子辐射方向进行调整，改变退火方式和条件，配合特定的辐照能量、注入剂量和束流密度能意外地在新型半导体薄膜材料氮化锌薄膜层上制备出铒离子分布集中在波导层的中间，保证铒离子受到最大程度的激发，而且薄膜层不含氧化锌、发光效率明显提高的掺铒氮化锌波导。

本发明的技术方案为：

一种掺铒氮化锌薄膜光波导的制备方法，步骤如下：

（1）对石英玻璃基底的氮化锌薄膜进行光学表面抛光处理，然后清洗、烘干；氮化锌薄膜厚度为100-800nm；

（2）将步骤（1）处理后的氮化锌薄膜放入真空度为10^-4Pa的加速器靶室内，进行铒离子辐照氮化锌薄膜过程，得到掺铒氮化锌薄膜样品；辐照能量300-600KeV，注入剂量10¹⁴-10¹⁶ions/cm²，束流密度0.3-0.8μA/cm²；氮化锌薄膜表面法线方向与入射离子束方向的夹角为7°；

（3）将掺铒氮化锌薄膜样品置于氮化炉内在氮气中进行退火处理，得产品；退火温度300-800℃，退火过程中持续充入氮气的量为300-600sccm，退火时间0.5-2.5h。

上述制备方法，辐照剂量太少，则掺铒氮化锌光波导的发光效率得不到最大的提高；剂量太大，则会造成浓度猝灭效应，光波导失去传播光束的作用；所用注入剂量优选为5×10¹⁵ions/cm²。

上述制备方法，辐照能量对铒离子的辐照深度影响最大；能量太小，则铒离子集中分布在薄膜层的上部，那么光路在波导层传播时不能有效的激发其中的铒离子，发光效率低；能量太大，铒离子集中分布在波导层下部，甚至会入射到基底层，这样也不能提高光波导的发光效率。同时由于薄膜的厚度量级很小、不像碳化硅晶体尺寸的量级这么大，所以在调整辐照能量和剂量时也要考虑氮化锌薄膜厚度。所以，优选的辐照能量为500Kev；此时，铒离子集中分布于薄膜波导层的中间位置，这样光路在其中做全反射并向前传播时，能确保铒离子得到最多得碰撞，激发它的发光机能。

上述制备方法，所述退火温度优选为400℃。

上述制备方法，氮气的通入量会影响铒离子在氮化锌薄膜层中的分布情况，氮气的量优选为500sccm。

一种由上述方法制备的掺铒氮化锌薄膜光波导，以石英玻璃基底和掺铒氮化锌薄膜上方的空气为包层，以掺铒氮化锌薄膜为芯层。

所述掺铒氮化锌薄膜光波导，所述掺铒氮化锌薄膜中铒离子辐照深度为50-200nm，铒离子浓度峰值半高宽之间的距离占总浓度分布距离的比例为25-45％。

有益效果

首次在氮化锌这种新型半导体材料薄膜层尝试进行铒离子掺杂，并证明离子辐照技术制备掺铒氮化锌光波导是可行的，为氮化锌光波导的发展前景提供了一个巨大的推力。注入剂量小，能量小，成本低，易实施。制得掺铒氮化锌光波导中无氧化锌混入，纯度高。铒离子分布成高斯分布，最大浓度集中在薄膜中部，发光效率明显提高，荧光强度增益4%-15%。

可以精确控制辐照离子的能量和辐照深度，按要求控制波导层的厚度，对受辐照材料原来的属性不会造成破坏。可以获得比不受辐照的氮化锌薄膜光波导发光效率更高的掺铒氮化锌薄膜光波导。

附图说明

图1为氮化锌薄膜样品示意图；

图2为铒离子注入氮化锌薄膜过程的技术示意图；

图3为本发明的掺铒氮化锌薄膜光波导截面示意图；

图4为掺铒氮化锌薄膜光波导的三维示意图；

图中，1.氮化锌薄膜，2.石英玻璃基底，3.掺铒氮化锌薄膜，4.掺铒氮化锌薄膜光波导，5.空气层。

具体实施方式

实施例1

（1）对石英玻璃基底2的氮化锌薄膜1（如图1所示）进行光学表面抛光、清洗和烘干处理；其中，氮化锌薄膜1厚度为100-800nm；

（2）将处理后的氮化锌薄膜放入加速器靶室内，抽到10^-4Pa的本底真空，以铒离子作为注入离子，进行铒离子注入氮化锌薄膜过程（如图2所示）；调节辐照能量为500KeV，注入剂量为5×10¹⁵ions/cm²,束流密度为0.5μA/cm²，氮化锌薄膜表面法线方向与入射离子束方向的夹角为7°；得掺铒氮化锌薄膜3的样品；

（3）将掺铒氮化锌薄膜3的样品置于氮化炉中进行退火，得到掺铒氮化锌薄膜光波导4；其中，退火温度为400℃，持续充入氮气流量为500sccm，退火时间60min。所得掺铒氮化锌薄膜光波导4是以石英玻璃基底2、掺铒氮化锌薄膜3上方的空气层5为包层，以掺铒氮化锌薄膜3为波导芯层；其中，掺铒氮化锌薄膜3的铒离子辐照深度为100-170nm。

本实施例制备的掺铒氮化锌薄膜光波导4，其铒离子浓度峰值半高宽之间的距离占总浓度分布距离的比例（表征铒离子浓度集中程度）25%左右，对光路限制能力强，荧光强度增强（即增益）百分比为15%左右，光波导性能好。

实施例2-9

操作步骤与实施例1相同，其所涉及参数“辐照能量、注入剂量、角度、退火温度、氮气量”如表1所示；

表1：

	A	B	角度	C	D	E	F	G
									实施例2	300	5×10¹⁵	7°	400	500	50-130	31%	12%
实施例3	600	5×10¹⁵	7°	400	500	120-200	32%	11%
									实施例4	500	10¹⁴	7°	400	500	100-170	38%	9%
实施例5	500	10¹⁶	7°	400	500	80-170	29%	8%
									实施例6	500	5×10¹⁵	7°	300	500	110-190	24%	10%
实施例7	500	5×10¹⁵	7°	800	500	100-180	45%	5%
									实施例8	500	5×10¹⁵	7°	800	300	80-200	44%	4%
实施例9	500	5×10¹⁵	7°	800	600	90-190	45%	6%

表1中：

A为辐照能量(KeV)；

B为注入剂量(ions/cm²)；

C为退火温度(℃)；

D为氮气量(sccm)；

E为辐照深度(nm)；

F为铒离子浓度峰值半高宽之间的距离占总浓度分布距离的比例；

G为荧光强度增强（即增益）百分比。

对比例1

（2）将处理后的氮化锌薄膜放入加速器靶室内，抽到10^-4Pa的本底真空，以铒离子作为注入离子，进行铒离子注入氮化锌薄膜过程（如图2所示）；调节辐照能量为500KeV，注入剂量为5×10¹⁵ions/cm²,束流密度为0.5μA/cm²，入射离子束方向为氮化锌薄膜表面法线方向；得掺铒氮化锌薄膜3的样品；

（3）将掺铒氮化锌薄膜3的样品置于氮化炉中进行退火，得到掺铒氮化锌薄膜光波导4；其中，退火温度为400℃，持续充入氮气流量为500sccm，退火时间60min。所得掺铒氮化锌薄膜光波导4是以石英玻璃基底2、掺铒氮化锌薄膜3上方的空气层5为包层，以掺铒氮化锌薄膜3为波导芯层；其中，掺铒氮化锌薄膜3的铒离子辐照深度为40-190nm。

该光波导的铒离子浓度峰值半高宽之间的距离占总浓度分布距离的比例（表征铒离子浓度集中程度）65%左右，铒离子浓度峰值低，由于与入射面垂直，较多的入射的铒离子被反弹回去；荧光强度增强高（即增益）百分比为0.7%左右。

对比例2

（3）将掺铒氮化锌薄膜3的样品置于氮化炉中进行退火，得到掺铒氮化锌薄膜光波导4；其中，退火温度为1200℃，持续充入氮气流量为500sccm，退火时间60min。所得掺铒氮化锌薄膜光波导是以石英玻璃基底2、掺铒氮化锌薄膜3上方的空气层5为包层，以掺铒氮化锌薄膜3为波导芯层；掺铒氮化锌薄膜3的铒离子辐照深度为30-190nm。

该光波导的铒离子浓度峰值半高宽之间的距离占总浓度分布距离的比例（表征铒离子浓度集中程度）80%左右，退火有助于修复损伤的晶格，即退火温度升高，辐照进去的离子逐渐扩散，甚至会扩散到薄膜晶体的表面，这就失去了掺杂稀土离子的意义了。荧光强度增强高（即增益）百分比为0.9%左右，

对比例3

（3）将掺铒氮化锌薄膜3采用脉冲激光退火，得到掺铒氮化锌薄膜光波导4；该掺铒氮化锌薄膜光波导4是以石英玻璃基底2、掺铒氮化锌薄膜3上方的空气层5为包层，以掺铒氮化锌薄膜3为波导芯层；所述掺铒氮化锌薄膜3的铒离子辐照深度为30-180nm。脉冲激光退火的具体操作为：将掺铒氮化锌薄膜3的样品置于工作台上，启动激光器使其激光功率调整至为1-50W，脉冲宽度为1-20ms，脉冲频率为10-100Hz，激光束依次通过光阑、反射镜以及聚透镜后在碳化硅样品上表面形成光斑直径为1-50mm的光斑，退火时间为20-50s。

该光波导的铒离子浓度峰值半高宽之间的距离占总浓度分布距离的比例（表征铒离子浓度集中程度）78%左右，脉冲退火有助于极好地修复损伤的晶格，势必造成辐照进去的离子扩散范围增大，铒离子浓度峰值降低，工作速度太快，操作参数难以精确把握，工艺不易控制。荧光强度增强高（即增益）百分比为1%左右，

对比例4

（3）将掺铒氮化锌薄膜3的样品于1200℃退火1h，得到掺铒氮化锌薄膜光波导4；该掺铒氮化锌薄膜光波导4是以石英玻璃基底2、掺铒氮化锌薄膜3上方的空气层5为包层，以掺铒氮化锌薄膜3为波导芯层；所述掺铒氮化锌薄膜3的铒离子辐照深度为20-210nm。

该光波导的铒离子浓度峰值半高宽之间的距离占总浓度分布距离的比例（表征铒离子浓度集中程度）76%左右，在没有氮气保护的气氛中退火会引入氧元素，造成氮化锌被氧化，而且氧离子进如薄膜晶格中会影响铒离子的分布。荧光强度增强高（即增益）百分比为0.4%左右。

根据实施例和对比例的数据可以得出，实施例1-9所制备的掺铒氮化锌薄膜光波导其掺铒氮化锌薄膜中铒离子的分布范围为80-120nm，铒离子浓度峰值半高宽之间的距离占总浓度分布距离的比例为25-45％；远小于对比例1-4的掺铒氮化锌薄膜中铒离子的分布范围（150-190nm），铒离子浓度峰值半高宽之间的距离占总浓度分布距离的比例65-80％。即本发明的掺铒氮化锌薄膜中铒离子分布更加密集、且分布形态好。从而导致本发明的掺铒氮化锌薄膜光波导的发光效率远高于对比例制备的光波导的发光效率。

Claims

1.一种掺铒氮化锌薄膜光波导的制备方法，其特征在于，步骤如下：

（2）将步骤（1）处理后的氮化锌薄膜放入真空度为10^-4Pa的加速器靶室内，进行铒离子注入氮化锌薄膜过程，得到掺铒氮化锌薄膜样品；辐照能量300-600KeV，注入剂量10¹⁴-10¹⁶ions/cm²，束流密度0.3-0.8μA/cm²；氮化锌薄膜表面法线方向与入射离子束方向的夹角为7°；

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所用注入剂量为5×10¹⁵ions/cm²。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，辐照能量为500Kev。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述退火温度为400℃。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，氮气的量为500sccm。

6.一种由权利要求1-5中任意一项所述方法制备的掺铒氮化锌薄膜光波导，以石英玻璃基底和掺铒氮化锌薄膜上方的空气为包层，以掺铒氮化锌薄膜为芯层。

7.根据权利要求6所述的掺铒氮化锌薄膜光波导，其特征在于，所述掺铒氮化锌薄膜中铒离子辐照深度为50-200nm。

8.根据权利要求6所述的掺铒氮化锌薄膜光波导，其特征在于，所述掺铒氮化锌薄膜中铒离子浓度峰值半高宽之间的距离占总浓度分布距离的比例为25-45％。