離子注入光學(xué)晶體之輻射與光波導(dǎo)效用概述

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1、離子注入光學(xué)晶體之輻射與光波導(dǎo)效用概述第一章緒論1.1集成光學(xué)與光波導(dǎo)集成光學(xué)是由于光通信和光學(xué)信息處理等的需要，在激光技術(shù)發(fā)展過(guò)程中逐步形成和發(fā)展起來(lái)的一門(mén)學(xué)科，它主要研究媒質(zhì)薄膜中的光學(xué)現(xiàn)象以及光學(xué)元件集成化。集成光學(xué)通過(guò)將不同功能、不同集成度的光路集合在一起，從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)信息處理系統(tǒng)的集成化與微小型化[1]。由于光波波長(zhǎng)非常短，比波長(zhǎng)最短的無(wú)線(xiàn)電波還要短四個(gè)數(shù)量級(jí)，所以它的信息傳遞和處理的能力更大。然而傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)具有一些缺點(diǎn)，比如體積大、穩(wěn)定性差、光束的對(duì)準(zhǔn)和準(zhǔn)直困難等，這些缺點(diǎn)都會(huì)限制光電子

2、技術(shù)的發(fā)展。為了解決這些光學(xué)系統(tǒng)的問(wèn)題，我們可以采用一種類(lèi)似于半導(dǎo)體集成電路的方法，將光學(xué)元件以薄膜形式集成在同一襯底上。這樣可有體積小、效率高、功耗低、性能穩(wěn)定可靠、使用方便等優(yōu)點(diǎn)[2]。在集成光學(xué)中，光波導(dǎo)器件作為導(dǎo)入、傳輸或輸出承載信號(hào)的光波的器件，是集成光學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心。光在折射率不同的介質(zhì)分界面上會(huì)發(fā)生全反射，利用這種全反射現(xiàn)象將光波限制在波導(dǎo)及其周?chē)邢迏^(qū)域內(nèi)傳播，這就是光波導(dǎo)的原理[3]。..1.2光學(xué)材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成方法光學(xué)晶體異質(zhì)結(jié)構(gòu)是將不同性質(zhì)的光學(xué)單晶結(jié)合在一起，可以實(shí)現(xiàn)單一

3、晶體無(wú)法實(shí)現(xiàn)的特殊性能，在光電集成和全光器件研究領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。隨著光學(xué)元件逐漸代替電子器件應(yīng)用于光信號(hào)處理中，將更多的光學(xué)器件集成到一個(gè)芯片里成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。相較于電子器件，光子器件具有很多的優(yōu)點(diǎn)，比如較大的運(yùn)行帶寬，波分復(fù)用，沒(méi)有電磁干擾等。在過(guò)去的幾年中，研究人員努力研制鞋片上的光子芯片[42]，由于絕緣材料上綁定較大尺寸的娃片薄膜技術(shù)的成熟，以及先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝為制作微米或納米結(jié)構(gòu)的光子器件提供了可行的方法，使得基于桂片的光子器件發(fā)展迅速。在基于光子線(xiàn)[42,43]和光子帶隙結(jié)構(gòu)[4

4、4]的高度集成的光學(xué)器件中，擁有較大折射率差的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是制作這種器件的關(guān)鍵。這種光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以通過(guò)將單晶薄膜嵌入在擁有較低折射率的介質(zhì)材料中而形成。因此，為了制作這種光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，研究人員嘗試了很多種方法技術(shù)，例如：化學(xué)氣相沉積[45]，分子束外延[46]，脈沖激光沉積[47]，溶膠凝膠[48]等等。但是這些方法都不能制作出單晶性較好的薄膜材料，并且外延生長(zhǎng)方法由于晶格匹配的限制會(huì)對(duì)襯底材料的特性有嚴(yán)格要求。目前，離子注入與綁定技術(shù)相結(jié)合剝離材料薄膜的方法可以制作出較好的單晶特性的材料薄膜，引起了研究人

5、員的關(guān)注。這種方法簡(jiǎn)稱(chēng)smart-cut（智能切割），它最先被發(fā)現(xiàn)可用于制作娃材料薄膜并綁定在絕緣材料上[49]。smart-cut方法的基本原理和方法是：將低能量、大劑量的輕離子（如He離子或H離子，劑量范圍是：10i6~10i7ioris/cm2)注入到材料中[50],注入完成后將樣品材料清洗干凈并用環(huán)氧樹(shù)脂膠或直接鍵合的方法與襯底材料綁定在一起，襯底材料可以選擇Si02和其他光學(xué)晶體，也可以用Si材料做襯底。第二章實(shí)驗(yàn)方法2.1離子注入技術(shù)離子注入是在真空系統(tǒng)中將注入的離子加速注入進(jìn)材料中，從而在

6、離子注入?yún)^(qū)域形成一個(gè)具有特殊性質(zhì)的表面層[1,2]。其基本原理是將離子從離子源中射出并加速射向樣品表面，進(jìn)入表面的離子與材料中的原子發(fā)生碰撞，在其射程前后和側(cè)面激發(fā)出一個(gè)痕跡，射入材料內(nèi)部。被撞離的原子會(huì)再與其它原子發(fā)生碰撞，這樣的相繼碰撞會(huì)在材料中形成一個(gè)有很多間隙原子和空位的區(qū)域（如圖2.1.1所示）[3]。這樣就在材料表面下形成了由注入元素和結(jié)構(gòu)損傷組成的表層。離子和損傷的分布都符合高斯分布。離子注入的基本特點(diǎn)有：(1)摻雜元素基本可以是各種元素，并且摻雜濃度是常規(guī)方法無(wú)法達(dá)到的。離子注入還可以摻

7、雜一些常規(guī)方法不能摻雜的元素。(2)離子注入可實(shí)現(xiàn)純凈摻雜，因?yàn)槠湓谡婵障到y(tǒng)中進(jìn)行。另外，為了保證較高純度的摻雜離子，我們使用高分辨率的質(zhì)量分析器。(3)可以自由選擇注入離子時(shí)襯底的溫度。既可以高溫?fù)诫s也可以低溫或室溫?fù)诫s。這點(diǎn)有很高的應(yīng)用價(jià)值。(4)可以精確控制注入離子的濃度和深度分布。通過(guò)精確測(cè)量和控制積累的束流和加速電壓，從而決定注入離子的數(shù)目和深度。(5)可以實(shí)現(xiàn)大面積均勻的注入。通過(guò)束流掃描裝置可以保證大面積的摻雜均勻性。(6)可以將離子注入摻雜深度調(diào)控到很小，可以在1pm以?xún)?nèi)。..2.2盧瑟

8、福背散射/溝道分析技術(shù)當(dāng)具有一定能量的離子束入射到祀材上，大部分入射離子會(huì)穿透進(jìn)材料中，只有小部分的離子在足夠靠近紀(jì)核時(shí)，由于庫(kù)倫力的排斥作用，與祀核發(fā)生大角度的彈性散射，我們將從紀(jì)材表面返回的散射離子稱(chēng)為背散射離子。相比較于其它材料分析技術(shù)，背散射分析方法簡(jiǎn)便、可靠，可以不依賴(lài)于標(biāo)準(zhǔn)樣品而獲得定量的分析結(jié)果，不用破壞樣品的宏觀結(jié)構(gòu)就可以得到深度分布信息。背散射分析與彈性反沖分析相結(jié)合，能將樣品中從輕到重的各種元素分析測(cè)量出；而與溝道技術(shù)相