一步脈沖激光沉積多層磁光薄膜的方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及多層磁光薄膜制備工藝技術領域。
【背景技術】
[0002] 伴隨著光通信產業的快速發展，將所有的光學元件（例如：光隔離器、調制器和探 測器等）集成到Si或者是III-V半導體平臺上的光電集成技術引起了持續的關注。光隔 離器是其中重要的無源器件，在光纖通信、光信息處理和各種測量系統中，可實現正向傳輸 的光無阻擋地通過，而全部排除光纖功能器件接點處的反射光，從而有效地消除了激光源 的噪聲。光隔離器的工作原理是利用磁光效應（即法拉第旋光效應），即對透光磁體施加磁 場時，經過該磁體的線性偏振光（光束與磁場方向平行）會發生一定角度的偏轉，偏轉的角 度0與施加磁場光線傳播方向的磁通量密度B和物體的長度即傳播距離d成正比：
[0003] 0 =VBd
[0004] 式中，V-菲爾德常數。目前，非可逆光學器件，尤其是集成光隔離器，由于缺乏一 種可W與半導體基體匹配良好的高品質因子的磁光材料，成為集成光學器件中唯一缺失的 器件。
[0005] 因此，磁光材料是制備光隔離器的基礎，其特性決定了光隔離器的品質，也是制約 集成光學器件生產制備的關鍵所在。目前應用在光隔離器和環形器上的磁光材料為鐵石 惱石，主要有￥3化5〇12仍6)、813尸65〇12炬蝸、佑6扣2)化5〇12(〔68蝸和佑61￥2)化5〇12(〔6￥蝸 等。鐵石惱石材料具有很高的透光性，同時還在近紅外波段具有很強的法拉第旋光性能。 對于Bi和Ce滲雜YIG，在1550皿波段，法拉第旋光的旋轉角度可W達到l〇3deg/cm，同 時可W保持很低的光吸收系數，而且具有很好的品質因子，品質因子達到300deg/地。通 過Ce滲雜YIG在沉積之后進行退火處理，多晶薄膜的品質因子達到了 56deg/cm。目前 已證明，隔離率可W達到35地。然而，由于磁性石惱石材料具有非常復雜的晶胞結構，其 晶格常數（YK}: 12.376A)也遠大于半導體基體（Si: 5.43A，GaAs: 5.65A)的晶格常 數，使得鐵石惱石薄膜很難外延生長在傳統半導體的基片上，例如沉積在單晶娃上會造 成晶格的不匹配，其次，YIG的熱膨脹系數a〇.4Xl(T7°C)遠大于SU2.33X1(T7°C)、 GaAs(5. 73X10-6/°C)、InP(4. 75X10-6/°C)或Si〇2〇). 55X10-6/°C)的熱膨脹系數，由于熱 膨脹系數不匹配所造成的熱錯配會在薄膜內部形成大量的裂紋和缺陷，制約了其在集成光 學器件中的應用，而現有的方法無法避免在薄膜內部形成的大量的裂紋和缺陷，而且制備 的時間長。
【發明內容】
[0006] 本發明是為了解決現有的方法制備的多層磁光薄膜會在薄膜內部會形成大量的 裂紋和缺陷及制備時間長的問題，從而提供一步脈沖激光沉積多層磁光薄膜的方法。
[0007] 本發明所述的一步脈沖激光沉積多層磁光薄膜的方法，該方法包括W下步驟：
[000引步驟一、將半導體基體放入真空腔體內，在溫度為室溫至700°C的條件下，待真空 腔體內的真空度達到5Xl(T5Torr-lXl(T6T0rr后，向真空腔體內充入氣體，氣體流量保持 在 5mTorr-25mTorr;
[0009] 步驟二、利用脈沖激光沉積法，一步連續沉積兩層或S層鐵石惱石磁光薄膜，脈沖 激光的能量密度為1. 5J/cm2-2. 5J/cm2,脈沖激光的頻率為lHz-20化；
[0010] 步驟=、將步驟二中沉積好的薄膜，在溫度在800°cw下及氧氣氛下進行快速退 火，退火過程持續的時間為3分鐘至5分鐘。
[0011] 上述向真空腔體內充入的氣體為氣氣、氮氣或氧氣。
[0012] 上述步驟S中退火過程持續的時間為5分鐘。
[0013] 上述沉積的鐵石惱石磁光薄膜的材料為YIG、CeYIG、BIG或CeBIG。
[0014] 上述YIG薄膜的層厚為20nm-100皿，其它鐵石惱石磁光薄膜與YIG薄膜的層厚比 為 1 ;1 至 10 ;1。
[0015] 上述步驟S中快速退火的次數為一次。
[0016] 上述步驟S中的溫度為500°C-800°C。
[0017] 上述步驟二中脈沖激光的頻率為10化。
[0018] 上述步驟一中半導體基體為Si、石英或單晶GGG基體。
[0019] 發展新的制備方法在半導體基體上生長制備高質量和高品質因子的鐵石惱石磁 光材料，是集成非可逆光學器件應用的迫切需求。本發明所述的一步脈沖激光沉積多層磁 光薄膜的方法，利用脈沖激光沉積法，一步連續沉積兩層或S層鐵石惱石磁光薄膜，通過控 制基體溫度、激光能量密度、激光頻率、氣氛條件，可W制備品質優良的磁光薄膜。現有的制 備方法為兩步沉積法，只能先沉積YIG層，然后進行退火處理，最后在YIG層上再沉積其它 鐵石惱石磁光薄膜。而本發明采用脈沖激光沉積方式不僅可W先沉積YIG，也可W先沉積其 它鐵石惱石磁光薄膜，最后對沉積的薄膜進行一次退火處理，本發明可得到完全晶化的多 層磁光薄膜。采用本發明的方法制備的鐵石惱石磁光薄膜的品質得到了顯著的提高，鐵石 惱石磁光薄膜無裂紋和缺陷，磁光性能也顯著提高并縮短了制備的時間，本方法所需的制 備時間比現有的制備方法所需的時間相比，縮短了一半W上，從而提高了效率。在1564nm 的光通訊波段，采用現有的制備方法得到的磁光隔離器件的插入損耗為18. 8地，而采用本 發明的方法得到的磁光隔離器件的插入損耗低至7. 2地。
[0020] 本發明可用于沉積多層磁光薄膜，實現在光隔離器W及其它非互易光學器件上的 集成應用。
【附圖說明】
[0021] 圖1是【具體實施方式】四中的YIG為沉積的第一層的兩層鐵石惱石磁光薄膜的結構 不意圖。
[0022] 圖2是【具體實施方式】四中的YIG為沉積的第二層的兩層鐵石惱石磁光薄膜的結構 不意圖。
[0023] 圖3是【具體實施方式】四中的YIG為沉積的第一層和第=層的=層鐵石惱石磁光薄 膜的結構示意圖。
[0024] 圖4是【具體實施方式】四中的YIG為沉積的第二層的=層鐵石惱石磁光薄膜的結構 不意圖。
[0025] 圖5為【具體實施方式】八中的YIG為沉積的第二層的兩層鐵石惱石磁光薄膜的透射 電子顯微鏡（TEM)組織形貌圖。
[0026] 圖6為圖5中CeYIG與Si基體的界面的高分辨率電子顯微鏡圖。
[0027] 圖7為【具體實施方式】八中的兩層和=層鐵石惱石磁光薄膜的磁滯回線圖。
【具體實施方式】
[002引【具體實施方式】一：本實施方式所述的一步脈沖激光沉積多層磁光薄膜的方法，該 方法包括W下步驟：
[0029] 步驟一、將半導體基體放入真空腔體內，在溫度為室溫至700°C的條件下，待真空 腔體內的