[发明专利]利用纳米硅和二氧化硅界面态来提高非线性光学性能的方法

说明书

技术领域：

本发明涉及非线性光学器件技术领域。

背景技术：

自20世纪60年代以来，由于硅的相关技术取得不断的发展，尤其是硅的平面工艺和微细加工技术的引入，促进了硅集成电路的产生，又由于与之相应的材料，设计和制作技术的进步，使得微电子技术取得了快速的发展，开辟了硅的微电子技术发展的新时代。在此基础上发展起来的计算机、自动控制和通信等信息技术也得到了飞速的发展。然而，随着集成度的进一步提高，器件的尺寸也会成比例缩小，出现了许多新效应，如量子隧穿效应，短沟道效应，RC互连延迟等效应，这些都会影响到器件的性能，同时也就限制了集成度的进一步提高。另一方面，随着超高速电子计算机的飞速发展，现有的逻辑门运算速度已达到ps的阶段，而要实现40Gb/s以上的高速传输速率，要求光开关等双稳态器件具有皮秒量级的快速响应时间，然而以现有的微电子技术传输如此高速的信息码，受到了瓶颈阻塞效应的限制，因而远远不能与当前的高速光通信相匹配。而微电子技术是以电子作为信息载体，它在器件中的传输速度远低于光子的速度，从而就限制了对信息的处理速度与能力。为了克服半导体器件尺寸缩小带来的物理极限和互连技术等方面的问题，人们逐渐将目光转向了光电子。以光子作为信息载体，并且在不改变原有的微电子芯片逻辑结构的前提下，以现有的微电子集成工艺，逐步实现硅基光电子集成，这无疑已经成为人们解决问题行至有效地方法。

自2004年，Almeida小组首次制备了硅基全光开关芯片，得到了小于500ps的调制速度，为实现硅基光电子集成迈出了坚实的一步。然而，作为光开关，光调制等逻辑器件除了要求响应速度快之外，所用的材料还应该具有大的非线性系数。但是由于单晶硅是非极性立方对称结构，其非线性光学系数很小，因而限制了其在非线性光学器件中的应用。为了克服这一问题，人们尝试通过制备低维的半导体薄膜材料，利用量子限制效应或界面效应来提高其非线性光学系数。2011年Martínez小组用PECVD制备了纳米硅/二氧化硅材料，测得其非线性折射率系数为4×10^-13cm²/W，是体硅材料（4×10^-14cm²/W）的十倍。并将其制作为光调制器，实现了10ps的调制速率，比硅材料的调制速度快了一个数量级。但是现有的纳米硅材料的非线性光学系数仍然较低，阻碍了实现高性能的硅基非线性光学器件。我们提出了通过引入缺陷态或界面态，通过控制界面态的形态和密度来提高材料的非线性光学系数和性能的技术途径，并用实际实验证明其是一种行之有效的方法。

由于体硅材料的非线性光学系数较小，限制了其在光开关，光放大及光调制等非线性光学器件中的应用。已有的制备纳米硅/二氧化硅薄膜多采用纳米硅镶嵌在二氧化硅基质的方法，尽管可以提高材料的非线性光学系数，但主要是通过控制纳米硅的尺寸以及密度来改善材料的非线性光学系数，在技术上有较大难度，且调节的范围有限。

发明内容：

本发明目的是：提出了一种利用纳米硅/二氧化硅多层薄膜中的界面态来调控并提高非线性光学性能的新技术。通过制备硅/二氧化硅多层薄膜来引入界面态可以有效地增强其非线性光学系数，提高材料的非线性光学性能。

本发明技术方案是，利用纳米硅和二氧化硅界面态来提高非线性光学性能的方法，包括以下步骤；

1）利用等离子体增强化学气相淀积技术在单晶硅衬底或者石英衬底上制备非晶硅/二氧化硅交替的多层薄膜，非晶硅/二氧化硅的层数一般为4-16层，通过控制非晶硅的生长时间及原位等离子氧化时间来控制非晶硅子层和二氧化硅子层的厚度；

等离子体增强化学气相淀积非晶硅子层：通过分解硅烷气体来沉积非晶硅子层，通过原位等离子氧化非晶硅子层来制备二氧化硅子层，氧化气体是高纯氧气(99.999%)；如此交替生长，最后制备得到非晶硅/二氧化硅多层薄膜，通过控制硅烷分解的时间以及等离子氧化的时间，来分别控制非晶硅和二氧化硅的厚度；

单晶硅衬底或者石英衬底温度维持在250±5℃；非晶硅生长时间从15秒到40秒之间变化，氧化时间可以从60秒到120秒；

控制非晶硅子层和二氧化硅子层厚度，随后形成纳米硅量子点时获得尺寸和密度不同的材料；

2）对非晶硅/二氧化硅多层薄膜进行热退火处理；在退火前，首先要对样品进行脱氢处理，以防止薄膜在高温退火中破裂，脱氢时间为1小时，温度可以在350-450℃的范围内选择；其后在800℃-1000℃的温度范围内对生长的样品进行30-90分钟的后退火。