[doc格式] Si／SiNx超晶格材料的非线性光学特性

[doc格式] Si／SiNx超晶格材料的非线性光学特性 Si,SiNx超晶格材料的非线性光学特性 , 第29卷第6期 2008年l2月 发光 CHINESEJOURNALOFLUMINESCENCE V01.29No.6 Dee.,2008 文章编号:1000-7032(2008)06—1o455 Si/SiNx超晶格材料的非线性光学特性 申继伟,郭亨群,吕蓬,徐骏,陈坤基,王启明 (1.华侨大学信息科学与工程学院,福建泉州362021; 2.南京大学物理系,江苏南京210093;3.中国科学院半导体研究所,北京100083) 摘要:采用射频磁控反应溅射技术与热退火处理制备了Si/SiN超晶格材料.利用吸收光谱和x射线衍射对 材料进行表征.通过皮秒脉冲激光单光束z-扫描技术研究了该材料在非共振吸收区的三阶非线性光学特性, 实验结果表明,样品的非线性折射率为负值,非线性吸收属于双光子吸收.由实验数据得到材料的三阶非线性 极化率实部和虚部分别为1.27×lO,,1.51×10,esu,该值比体硅材料 的三阶非线性极化率值大5个数量级. 对材料光学非线性产生的机理进行了探讨,认为材料的非线性极化率的增加来源于材料量子限制效应的增强. 关键词:Si/SiN超晶格;三阶非线性极化率;Z一扫描;射频磁控反应溅 射 中图分类号:0437;0484.41PACC:4265文献标识码:A 1引言 由于硅基纳米材料体现出较强的量子限制作 用,其光学特性和体材料相比发生了较大的变化, 在光开关和光逻辑元件等领域具有广阔的应用前 景,因此对si基纳米材料的非线性光学特性开展 了广泛的研究?J.而超晶格材料作为一种人工 剪裁材料,其所呈现出新奇的非线性特性引起了 人们的兴趣.4.而SiNx由于其隧穿势垒较低, 在SiN和si组成的系统中,二者界面上不会出现 新的发光中心,因此SiN是一种很好的钝化材 料.自1983年Abeles等制备a—Si/a—SiN超晶 格以来,人们对这种材料的研究不断深入j. 但这些研究主要集中在发光方面,其制备方法主 要为PECVD.利用射频磁控反应溅射技术制备 si/,siN超晶格材料的非线性光学特性的研究尚 未见有报道.本文利用射频磁控反应溅射技术与 热退火处理制备Si/SiN超晶格材料,利用z一扫 描技术测量了材料的非线性折射率,得到了该材 料的三阶非线性极化率,并对其产生的光学非线 性的机理进行探讨. 2实验 2.1样品制备 采用射频磁控反应溅射在石英衬底上沉积 Si/SiN超晶格材料,溅射靶材为高纯度单晶si 靶;选用P型Si(1oo)和石英片为衬底,经过常规 清洗后置于磁控室.高纯Ar作为溅射气体,高纯 N:作为反应气体,衬底选择不加热,溅射室本底 真空度为8×10.Pa.实验中在制备SiN层时 气体流量比刚:Ar(sccm)/N(sccm)]为40/20, 在制备si层时Ar流量为90sccm.实验中每淀 积一层si或SiN后,都要关闭等离子体,并抽 空反应室内气体,改变反应气体后再进行下一层 的淀积.为了能精确的控制每一层的厚度,必须 降低材料的沉积速率,主要通过降低射频功率和 反应气压来减小沉积速率,实验中射频功率均为 150W,反应气压Psi=0.8Pa,Psi=1Pa,在这种 条件下可以将沉积速率控制在每分钟几个纳米之 内.样品共淀积4个周期,其中si层厚度为6 nm,SiN层厚度为7nm,样品共厚52llm.样品 在管式炉中氮气保护下进行退火处理,退火温度 为1000cc,退火时间为30rain.本文采用德国 收稿日期:2007-09-21;修订日期:2008-01-04 基金项目:国家自然科学基金(60678053);国家自然科学基金重点(603360lO);国家重点基础研究发展”973”(2007CB613401) 资助项目 作者简介:申继伟(1979一),男,山西介休人,主要从事光电子材料与器件的研究. E—mail:nuclearpowerl02@163.corn :通讯联系人;E—mail:hqguo@hqu.edu.cn 发光第29卷 Bruker公司D8Advance型x射线衍射仪对薄膜 进行XRD分析.利用UV-2800H型紫外可见分 光光度计对样品进行光吸收测量,所有测试均在 室温下进行. 2.2实验装置 样品的非线性光学性质的研究是利用单光束 z.扫描实验系统进行的.实验装置如图1所示, 光源为Nd:YAG激光器,输出单模高斯光束,波 长A=1064nm,脉宽为25ps.被测样品放置在 用焦距为150mm透镜会聚的高斯光束光轴上, 激光束腰半径(c,=34Ixm,瑞利范围Z0=3.63 mm,样品的厚度为52nm,说明样品的厚度小于 瑞利长度,可以将样品作为薄样品处理.为了避 免激光能量在样品中的积累,减小实验中的误差, 激光器工作频率为1Hz.实验中焦点处光强为 8.04GW/cm 回 图1Z扫描实验装置,s:样品;BS:分束镜;L:透镜; A:光阑;D1,D2:探测器 Fig.1Z—scanexperimentapparatus,S:sample:BS:beam splitter;L:lens;A:aperture;D1,D2:detector. 3结果与分析 3.1样品的XRD分析 图2为样品退火后的XRD谱,由图知样品在 1000oC退火30min后出现结晶,将该衍射角和 图2样品的XRD谱 Fig.2TheXRDspectrumofSi/SiNsuperlattiee 的结晶取向卡相比,该结晶衍射峰为硅衍射 峰,对应为(400)晶向(20=69.80.),说明通过退 火Si/SiN超晶格样品中的非晶硅晶化后形成硅 纳米晶粒.王力等研究了a.Si:H/a—SiN:H多 层结构,认为当a—Si:H/a.SiN:H结构中Si层厚 度大于4am,退火温度达到1000oC时可以使样 品中的非晶硅结晶形成晶态硅. 3.2材料的吸收光谱 图3为退火前后样品的室温光吸收谱.利用 吸收谱,根据(ahu),(一E),作 ().关系曲线,得到样品退火后的光学带 隙E.=2.16eV.在我们的z一扫描中,激光波长 为1064nm,由吸收谱可知材料在1064nm处线 性吸收趋近于0,这样可以避免在实验中由于线 性吸收过强所带来的光损失,减小了由于线性吸 收产生的热效应对实验的影响. 图3Si/SiN超晶格样品的吸收光谱 Fig.3TheabsorptionspectrumofSi/SiNsuperlattice 3.3材料的z?扫描实验结果 图4是样品的开孔归一化透过率曲线,其中 点线是实验结果,实线为拟合结果.由实验结果 可知曲线在焦点处存在一个吸收峰. 图4Si/SiN超晶格样品的开孔归一化透过率曲线 Fig.4ThenormalizedtransmittancecurveoftheSi/SiN superlatticewithoutanaperture. .B/昌0导0?《 第6期申继伟,等:Si/SiN超晶格材料的非线性光学特性 实验中人射光的光子能量–1.17eV,而 样品的光学带隙为E:2.16eV,即人射光子能量 小于带隙能量,属于非共振非线性情况.在非共 振区可以避免共振区较强的线性吸收带来的光损 失,故非共振区是人们研究非线性器件感兴趣的 波段.如果光子能量低于半导体能带间隙,而两 个光子能量又超过能带间隙,那么该材料就有可 能存在双光子吸收.在z一扫描实验中,入射光子 的能量满足E<2hp<2E,故该吸收属于双光子 吸收. 我们在孔径因子S=0.158的条件下进行样 品的闭孔z.扫描实验.数据处理中,用闭孔扫描 曲线除以开孔扫描曲线,以消除实验中非线性吸 收对闭孔z一扫描的影响.图5是处理后的z一扫 描曲线,其中点线是实验结果,实线为拟合结果. 由图知曲线为先峰后谷,由z一扫描理论可知材料 的非线性折射率为负,材料属于自散焦介质. 图5Si/SiN超晶格样品的校正后的归一化透过率 Fig.5ThecorrectednormalizedtransmittanceoftheSi/SiN superlattice. 由于样品厚度L足够小,满足薄样品近似. 在这种近似下,当小孔屏的远场条件满足的情况 下,利用相关公式可以得到相移?.和Z扫描的 峰.谷透过率?之间的关系n: ?=0.406(1一s)i?.I(1?.l?1『) 其中,S为孔径因子 利用以下公式可计算出材料的非线性折射率 及非线性极化率的实部 ?03,,2 kL y— o — jo’XRn.. 其中f.为焦点处的光强,Jic=2,tr/A为波矢,s.是 真空介电常数,C为真空光速,n.为样品的线性折 射率. 由已知数据得: :8.38×10一.am./W 1.27×10,esu 我们利用公式 (:1)l一22 2… 对开孔实验数据进行拟合,就可以得到非线性吸 收系数的值,利用公式 =n占ocAfl/2,rr 就可以得到三阶极化率的虚部. 由相关数据可得 = 1.12×10m/W,:.=1.51×10esu 由公式 .=[()+)] 得材料的三阶极化率?=1.28×10,esu,该值 比体硅材料的三阶极化率大5个数量级. 纳米材料和体材料相比,由于其尺寸很小,电 子在纳米材料中的运动受到了极大的限制,体现 出较强的量子限制效应.Cotterl】利用二能级和 有效质量模型得出:在非共振区域,纳米材料中电 子的量子限制效应导致了材料的非线性效应,材 料的三阶极化率的实部和虚部与材料的非线性折 射率系数和双光子吸收系数密切相关.夏建白 等?.计算了SWSiO超晶格中硅层的能带结构, 认为当硅层取向为(100)方向,厚度为1—6nm 时,导带的能量最低点在厂点.即硅层由体硅的 间接带隙转变为准直接带隙,使光跃迁变为准直 接跃迁,从而相应的振子强度有很大的增强,因此 其三阶非线性极化比起体硅有很大的提高. 刘宁宁等研究了a—SWSiO超晶格中三阶非线 性效应.我们的前期工作也研究了Si/SiO超晶 格材料的非线性光学特性J,实验表明这种超晶 格结构材料的非线性折射率和体si相比有较大 的提高,并且认为材料的量子限制效应的增强导 致了非线性的增加.我们制备的样品属于Si/ SiN超晶格结构,该结构和a—Si/SiO超晶格具有 相似的结构,其中SiN的带隙大于si的带隙, SiN形成势垒,si形成势阱.在前人对Si/SiN 超晶格材料发光的研究中发现引,样品的吸收 边随硅层厚度的增加而发生红移,晶化后样品的 发光峰和晶化前相比发生蓝移,并把这些现象归 因于量子限制效应.因此我们认为在Si/SiN超 晶格材料中由于硅层厚度达到纳米尺寸,相应的 1O48发光第29卷 载流子运动受到限制;在SiN/Si/SiN形成的势 阱中相应的波函数在空间受到约束,因此材料体 现出较强的量子限制效应,电子和空穴在这种强 量子限制作用下形成限域激子,振子强度相应增 强,因此材料非线性和体硅相比有了很大提高. Zhang等?对a—SiN/a—Si/a—SiN结构样品 的研究中发现,退火过程中纳米硅的生长由于受 到SiN层的限制,纳米硅尺寸和a—si层的厚度基 本一致.而Si/SiN超晶格材料中Si层厚度是一 致的,且材料空间排列有序,因此样品中的纳米硅 尺寸大小基本一致,其空间分布也比较均匀,样品 中电子空穴约束的强弱比较均匀,其振子强度较 强,故三阶非线性较强,这和Si/SiN超晶格材料 特殊结构是密切相关的. 参考文献: 4结论 采用射频磁控反应溅射技术制备了Si/SiN 超晶格材料,利用z.扫描技术研究了材料的非线 性光学特性,得到波长为1064nm皮秒脉冲激光 作用下材料的三阶非线性极化率为1.28×10 esu,讨论了材料光学非线性产生的机制,认为材 料的光学非线性和材料特殊的结构有关,其非线 性折射率的增加来源于材料的量子限制效应的增 强.我们认为这种非线性效应较大的超晶格材料 在光通讯,全光开关,光计算等非线性器件的应用 上有很好的前景. 致谢:中国科学院物理研究所陈熙基副处长, 朗小宁博士在z一扫描测试方面给予大力支持. [1]GuoHengqun,WangQiming.Nonlinearopticalresponseofnc—Si—SiO 2filmsstudiedwithfemtosecondfour?wavemixing technique[J].Chin.Phys.Lett.,2006,23(11):2988-2992. [2]VijayalakshmiS,ShenF,GrebelH.NonlinearopticalpropertiesofsiliconnanoelustersatA=532nm[J].App1.Phys. Lett.,1997,71(23):3332?3334. [3]LiuNingning,SunJiaming,PanShaohua,eta1.Third—orderopticalnonli nearpropertiesofamorphousSi/SiO2supedat— ticesfabricatedbymagnetronsputtering[J].OpticsCommunications,2000,176(1-3):239-243. 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Thesuperlatticehasbeencharacterizedbyabsorptionmeasurement,andX?raydiffraction.Nonlinearoptical propertiesofSi/SiNsuperlatticewasprobedbyaZ—scantechniqueatA=106 4nm.Theexperimentalresults showthatthenonlinearrefractiveindexofthesampleisanegativevalueandthenonlinearabsorptionistwo— photonabsorption.Therealandimaginarypartsofx’?havebeenfoundtobe1. 27×10一(esu)and1.51× 10(esu)accordingtotheexperimentaldataofZ-scancuI1,e.ThevalueofSi/SiNsuperlatticeislarger5 SCalesthanthatofbulksilicon.Thenonlinearmechanismofthematerialwasdiscussed.Theenhancementof non—linearrefractiveindexismainlyattributedtointensivequantumconfin ement.Theresultsindicatethat suchSi/SiNsuperlatticematerialcouldbeappliedtotheoptoelectronicsandm icroelectronicsindustrysinceit iscompatiblewithSitechnology. ordernonlinearpolarizability;Z—sc Keys:S~SiNsuperlattice;third— anning;RFmagnetronreaction sputtering Receiveddate:2007-09-21