c轴取向铌酸锂晶体薄膜的制备方法 技术领域
本发明涉及c轴取向铌酸锂晶体薄膜的制备方法。
背景技术
铌酸锂(LiNbO3)晶体薄膜在光波导和声表面波领域具有重要的应用价值，c轴取向LiNbO3晶体薄膜在硅单晶衬底上生长的研究是LiNbO3薄膜研究中的一个主要课题。目前，硅衬底上c轴取向的LiNbO3晶体薄膜的制备通常采取以下两种方法：(a)低电压诱导生长，即在硅衬底上加一弱电场以控制薄膜的取向；(b)采用缓冲层，通常引入Si3N4、MgO、Al2O3等缓冲层。但这两种方法存在一些不足：
(1)在生长过程中施加诱导电场增加了工艺的难度，同时也增加了成本；
(2)常用的缓冲层的折射率都比SiO2大，引入的缓冲层会降低衬底与薄膜间大折射率差的优势。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的c轴取向LiNbO3薄膜的制备方法，以简化工艺，提高产品性能。
本发明方法是采用脉冲激光沉积，以非晶SiO2薄膜作为缓冲层在硅单晶衬底上生长c轴取向LiNbO3晶体薄膜，具体步骤如下：
(1)将清洗后的硅单晶片放入退火炉中，在常压下持续通入高纯氧气进行氧化，氧化温度为800℃-1100℃，氧化时间1-8小时，生成非晶SiO2薄膜；
(2)以氧化后的硅为衬底，以等化学计量比LiNbO3多晶陶瓷或富锂LiNbO3多晶陶瓷为靶材，放入脉冲激光沉积设备地真空室中，靶材与衬底之间距离在3-5cm，通入高纯氧气进行沉积，氧压保持在10-50Pa，激光频率在1-7Hz，沉积温度在500℃-650℃，生长c轴取向LiNbO3晶体薄膜，沉积结束后，在40-80min降温至150℃，然后自然冷却至室温即可，降温过程中使真空室保持30Pa氧压。
上述的硅单晶片可以是Si(100)或Si(111)单晶片。通常，使在硅衬底上生成的非晶SiO2薄膜的厚度在50-400nm。
该方法的优点：
(1)制备过程中无需施加诱导电场，简化了工艺；
(2)非晶SiO2折射率低，能够与LiNbO3薄膜层形成大的折射率差，从而减小传输损耗；
(3)非晶SiO2易于制备，且质量稳定重复性好；
(4)所得LiNbO3晶体薄膜具有良好的c轴择优取向性。该方法与现有的半导体集成技术相兼容，易于实现硅基光电集成，具有很大的发展潜力，
附图说明
图1是本发明方法制备的c轴取向铌酸锂晶体薄膜的XRD图谱。
具体实施方式
以下结合实施实例对本发明做进一步描述。
(1)将清洗后的二寸Si(100)单晶片放入退火炉中氧化，在常压下持续通入高纯氧气，氧化温度是1000℃，氧化时间是4小时。
(2)将氧化后的硅片及等化学计量比LiNbO3多晶陶瓷放入脉冲激光沉积设备的真空室中，调节衬底和靶材之间的距离为4cm，激光频率为3Hz，氧气压强为30Pa，在600℃下进行沉积，生长c轴取向LiNbO3晶体薄膜。沉积结束后，在50min降温至150℃，然后自然冷却至室温。降温过程中使真空室保持30Pa氧压。制得的铌酸锂薄膜的结构特性如图1所示，它具有良好的c轴择优取向性。