寬禁帶半導(dǎo)體氧化鋅晶體的離子注入光學(xué)效應(yīng)研究.pdf

1、光波導(dǎo)是集成光學(xué)的基本單元，集成光學(xué)的主要研究內(nèi)容是以光波導(dǎo)現(xiàn)象為基礎(chǔ)的光學(xué)和光子系統(tǒng)。光波導(dǎo)因其優(yōu)良的性能、高集成化以及低廉的生產(chǎn)成本等優(yōu)點，在現(xiàn)代光通信中起著非常重要的作用。由于其重要的應(yīng)用，研究人員一直探索用多種方法在各種材料上制備光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。新型光波導(dǎo)材料的發(fā)展不僅取決于材料工程的工藝水平，也離不開性能優(yōu)良的材料的支持以及對這種材料的各方面的基礎(chǔ)研究，材料的特性決定了其應(yīng)用屬性。因此就產(chǎn)生了包括固體材料的導(dǎo)電性、光學(xué)特性及熱學(xué)特

2、性等一系列與電子學(xué)和光電子學(xué)有關(guān)的研究課題。氧化鋅是一種纖鋅礦寬禁帶半導(dǎo)體材料，在常溫下Eg=3.437eV，氧化鋅在發(fā)光二極管、太陽能電池、壓敏電阻以及透明導(dǎo)電膜等方面具有廣泛的應(yīng)用，這大部分應(yīng)用僅需要多晶材料，而最近成功生長出大體積高質(zhì)量的單晶氧化鋅晶體使得生產(chǎn)藍光及紫外發(fā)光器件和高功率晶體管成為可能。氧化鋅作為光發(fā)射器的最大的優(yōu)點就具有較大的激子結(jié)合能(Eb=60MeV)，氧化鋅的激子結(jié)合能是氮化鎵材料的三倍，并且氧化鋅與其他材料

3、如硅、砷化鎵、硫化鎘以及氮化鎵相比，具備很強的抗輻照能力，這種特性使得氧化鋅在航空領(lǐng)域具有現(xiàn)實和潛在的應(yīng)用。氧化鋅中光學(xué)泵浦紫外激光在低溫和高溫條件下均已實現(xiàn)，雖然電致激光效率還需要通過生長高質(zhì)量的p型ZnO材料的方式來有進一步提高。氧化鋅和氮化鎵在光學(xué)、電學(xué)、結(jié)構(gòu)以及帶隙(在常溫下氧化鋅為3.4eV，氮化鎵為3.5eV)和晶格常數(shù)都非常的類似，所以在過去的幾年里很多科研人員預(yù)測氧化鋅很可能成為下一代最主要的光電子材料。而且氧化鋅晶體具

4、有60MeV激子束縛能，是氮化鎵的兩倍，在室溫下基于氧化鋅材料的紫外激光或紫外激光二極管和探測器具有更高的工作效率。
　　 由于光波導(dǎo)具有非常重要的使用價值，人們一直探索著各種方法來制備高性能的光波導(dǎo)，目前常用來制備光波導(dǎo)的方法有外延生長、擴散、離子交換和離子注入等。外延生長技術(shù)的基本原理就是在低折射率的襯底材料上生長一層高折射率的薄膜，但這種技術(shù)有自身的不足，最主要的缺點就是在外延薄膜和襯底材料的交界面上由于晶格不匹配而導(dǎo)致散

5、射損耗比較大。擴散或離子交換的原理是用化學(xué)方法使襯底表面的折射率升高，這就使波導(dǎo)區(qū)域受到污染，擴散過程中波導(dǎo)層中出現(xiàn)其它雜質(zhì)離子或者離子交換過程中襯底的組分發(fā)生變化必然會影響襯底材料的晶格結(jié)構(gòu)。而離子注入技術(shù)會克服以上缺點。
　　 離子注入技術(shù)是材料表面改性的一種有效方法，它可以精確控制摻雜離子的橫向和縱向濃度分布，而且材料改性可以在任何需要的溫度下進行。離子注入可以使得離子射程末端的晶格部分損傷，從而形成一個折射率比襯底折射率

6、低的光學(xué)位壘層，光學(xué)位壘層和材料表面包裹的結(jié)構(gòu)就是一個光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，光就可以在其中進行傳播。離子注入可以在各種非線性材料、電光材料及激光材料中形成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
　　 由于稀土離子，特別是Tm3+離子摻雜的材料在集成光學(xué)或光通信系統(tǒng)中具有很廣泛的應(yīng)用潛力，近幾年來一直受到人們的關(guān)注。三價Tm3+離子具有未填滿的4f殼層，4f電子被已填滿的5s和5p殼層電子所屏蔽，所以基質(zhì)材料晶格場對4f電子的影響很小，使得Tm3+離子的光譜與自由電

7、子光譜類似，可以得到非常尖銳的譜線躍遷。Tm3+能級系統(tǒng)因其獨特的四能級結(jié)構(gòu)及其光譜特性，得到了研究人員的普遍關(guān)注。
　　 本論文首次報道了用離子注入的方法在氧化鋅晶體上形成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了光束在氧化鋅晶體表面?zhèn)鞑ゲ⒀芯苛斯獠▽?dǎo)的各種特性。此外，還在氧化鋅晶體上實現(xiàn)了稀土離子摻雜，分析了摻雜材料的熒光效應(yīng)和熱退火性質(zhì)。本文的主要結(jié)果如下:
　　 (1)氧化鋅是一種重要的光電晶體材料，它具有性能優(yōu)良的電學(xué)和光學(xué)特性。O+

8、離子是通過離子注入的方法制備光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的常用離子，本論文首次報道了用O+離子注入的方法在氧化鋅晶體上形成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。通過能量為2MeV、4MeV和6MeV的O+離子注入可以在氧化鋅晶體上實現(xiàn)光的傳輸。用端面耦合法和棱鏡耦合技術(shù)在633nm激光波長下分析了光波導(dǎo)的光學(xué)特性，結(jié)果顯示所形成的光波導(dǎo)的TE偏振光的第一個模式下降峰比較尖銳，說明波導(dǎo)對光波的限制非常好，是真正的傳播模式。用盧瑟福背散射/溝道分析技術(shù)測試了O+離子注入造成的氧化鋅材

9、料表面附近的晶格損傷。建立了一個理論計算模型分析了自發(fā)激發(fā)、摩爾極化和電光系數(shù)等因素對氧化鋅折射率改變的影響，并用這個理論模型重構(gòu)了氧化鋅平面波導(dǎo)的折射率分布。
　　 (2)He+離子也是通過離子注入的方法制備光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的常用離子，用不同能量不同劑量的He+離子注入到氧化鋅晶體中形成了光波的傳輸限制。用計算機程序模擬了He+離子注入到氧化鋅晶體的過程，用盧瑟福背散射/溝道分析技術(shù)測試了He+離子注入引起的氧化鋅晶格損傷，用棱鏡耦

10、合技術(shù)和端面耦合技術(shù)分析了光波導(dǎo)的光學(xué)特性，并用光束傳播法研究了光波導(dǎo)中的傳播模式的場強分布，結(jié)果表明對于500KeV的低能量注入，僅可以產(chǎn)生一個傳播模式且大部分光波已滲透到襯底中;而對于2MeV的較高能量注入可以產(chǎn)生多個模式，TE偏振光的第一個傳播模式的場強大都被限制在光波導(dǎo)區(qū)域。重構(gòu)的折射率分布顯示He+離子注入后使得氧化鋅晶體表面折射率減小，核能量損失而非電子能量損失在氧化鋅折射率改變中起到主要作用。
　　 (3)在室溫條

11、件下用能量為6MeV注入劑量分別為5×1013ions/cm2，5×1014ions/cm2和5×1015ions/cm2的Si+離子注入到表面光學(xué)拋光的ZnO晶體中形成了平面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，光波導(dǎo)的厚度為2.4μm左右。用棱鏡耦合法633nm的激光波長下分析了不同Si+離子注入劑量的暗模特性，研究了注入劑量與波導(dǎo)的模式特性及樣品表面折射率之間的關(guān)系。利用計算機程序模擬了Si+離子注入到樣品的整個過程，得到了注入后Si+離子在氧化鋅晶體中的

12、濃度分布、電子能量損失以核能量損失。用盧瑟福背散射/溝道分析技術(shù)測試了Si+離子注入引起的氧化鋅表面區(qū)域的晶格損傷。
　　 (4)在室溫下用能量500KeV不同劑量的稀土Tm+離子注入到氧化鋅晶體中，用盧瑟福背散射/溝道分析技術(shù)測試了Tm+離子注入引起的氧化鋅晶格損傷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)晶格損傷分布與Tm+離子的濃度分布非常的吻合，在Tm+離子的注入劑量為3×1015ions/cm2時晶格損傷已基本達到飽和，說明氧化鋅晶格具有很強的抗損傷

13、能力。離子注入后為了激活Tm+離子的光學(xué)特性我們對樣品分別進行了從800℃到1050℃的高溫退火，結(jié)果顯示800℃的高溫退火對Tm+離子的濃度分布和氧化鋅的晶格恢復(fù)均沒有影響，而在950℃退火后Tm+離子有向表面擴散的現(xiàn)象發(fā)生，而在1050℃后低劑量注入造成的晶格損傷已基本完全恢復(fù)。在室溫條件下用紫外激光進行泵浦測試了Tm+離子注入后的熒光特性，樣品經(jīng)800℃退火30分鐘后，Tm+離子從3H4能級到3H6能級得躍遷的給出了794nm熒光

14、譜線，隨著注入濃度的增加，3H4→3H6的躍遷熒光峰越來越弱，具有明顯的濃度猝滅效應(yīng)。在襯底材料上和注入后的樣品上均探測到了氧化鋅本身的寬光譜發(fā)射峰，隨著離子注入劑量的增加紅光光譜會因注入缺陷的影響產(chǎn)生紅移現(xiàn)象。
　　 (5)用能量為500KeV的Tm+離子和能量為4.0MeV的O+離子共同注入到氧化鋅晶體中形成了具有稀土摻雜的平面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。用盧瑟福背散射/溝道分析技術(shù)分析了Tm+離子在氧化鋅晶體中的濃度分布，并與理論計算的濃

15、度分布作比較，經(jīng)過熱退火后發(fā)現(xiàn)Tm+離子有向晶體表面擴散的現(xiàn)象。用棱鏡耦合法測試了O+離子和Tm+離子共注入形成的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的特性，共得到兩個波導(dǎo)模式。用計算機程序重構(gòu)了波導(dǎo)區(qū)域的折射率分布，模擬結(jié)果顯示在波導(dǎo)區(qū)折射率增加而在離子注入的末端會形成一個折射率下降的光學(xué)位壘。
　　 本文中的實驗和理論分析結(jié)果為以后進一步研究氧化鋅材料提供了重要基礎(chǔ)，在氧化鋅材料上形成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)使得光波可以在氧化鋅中的傳輸并提高傳輸效率，為拓寬氧化鋅