一步脉冲激光沉积多层磁光薄膜的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及多层磁光薄膜制备工艺技术领域。
【背景技术】
[0002] 伴随着光通信产业的快速发展，将所有的光学元件（例如：光隔离器、调制器和探 测器等）集成到Si或者是III-V半导体平台上的光电集成技术引起了持续的关注。光隔 离器是其中重要的无源器件，在光纤通信、光信息处理和各种测量系统中，可实现正向传输 的光无阻挡地通过，而全部排除光纤功能器件接点处的反射光，从而有效地消除了激光源 的噪声。光隔离器的工作原理是利用磁光效应（即法拉第旋光效应），即对透光磁体施加磁 场时，经过该磁体的线性偏振光（光束与磁场方向平行）会发生一定角度的偏转，偏转的角 度0与施加磁场光线传播方向的磁通量密度B和物体的长度即传播距离d成正比：
[0003] 0 =VBd
[0004] 式中，V-菲尔德常数。目前，非可逆光学器件，尤其是集成光隔离器，由于缺乏一 种可W与半导体基体匹配良好的高品质因子的磁光材料，成为集成光学器件中唯一缺失的 器件。
[0005] 因此，磁光材料是制备光隔离器的基础，其特性决定了光隔离器的品质，也是制约 集成光学器件生产制备的关键所在。目前应用在光隔离器和环形器上的磁光材料为铁石 恼石，主要有￥3化5〇12仍6)、813尸65〇12炬蜗、佑6扣2)化5〇12(〔68蜗和佑61￥2)化5〇12(〔6￥蜗 等。铁石恼石材料具有很高的透光性，同时还在近红外波段具有很强的法拉第旋光性能。 对于Bi和Ce渗杂YIG，在1550皿波段，法拉第旋光的旋转角度可W达到l〇3deg/cm，同 时可W保持很低的光吸收系数，而且具有很好的品质因子，品质因子达到300deg/地。通 过Ce渗杂YIG在沉积之后进行退火处理，多晶薄膜的品质因子达到了 56deg/cm。目前 已证明，隔离率可W达到35地。然而，由于磁性石恼石材料具有非常复杂的晶胞结构，其 晶格常数（YK}: 12.376A)也远大于半导体基体（Si: 5.43A，GaAs: 5.65A)的晶格常 数，使得铁石恼石薄膜很难外延生长在传统半导体的基片上，例如沉积在单晶娃上会造 成晶格的不匹配，其次，YIG的热膨胀系数a〇.4Xl(T7°C)远大于SU2.33X1(T7°C)、 GaAs(5. 73X10-6/°C)、InP(4. 75X10-6/°C)或Si〇2〇). 55X10-6/°C)的热膨胀系数，由于热 膨胀系数不匹配所造成的热错配会在薄膜内部形成大量的裂纹和缺陷，制约了其在集成光 学器件中的应用，而现有的方法无法避免在薄膜内部形成的大量的裂纹和缺陷，而且制备 的时间长。
【发明内容】
[0006] 本发明是为了解决现有的方法制备的多层磁光薄膜会在薄膜内部会形成大量的 裂纹和缺陷及制备时间长的问题，从而提供一步脉冲激光沉积多层磁光薄膜的方法。
[0007] 本发明所述的一步脉冲激光沉积多层磁光薄膜的方法，该方法包括W下步骤：
[000引步骤一、将半导体基体放入真空腔体内，在温度为室温至700°C的条件下，待真空 腔体内的真空度达到5Xl(T5Torr-lXl(T6T0rr后，向真空腔体内充入气体，气体流量保持 在 5mTorr-25mTorr;
[0009] 步骤二、利用脉冲激光沉积法，一步连续沉积两层或S层铁石恼石磁光薄膜，脉冲 激光的能量密度为1. 5J/cm2-2. 5J/cm2,脉冲激光的频率为lHz-20化；
[0010] 步骤=、将步骤二中沉积好的薄膜，在温度在800°cw下及氧气氛下进行快速退 火，退火过程持续的时间为3分钟至5分钟。
[0011] 上述向真空腔体内充入的气体为氣气、氮气或氧气。
[0012] 上述步骤S中退火过程持续的时间为5分钟。
[0013] 上述沉积的铁石恼石磁光薄膜的材料为YIG、CeYIG、BIG或CeBIG。
[0014] 上述YIG薄膜的层厚为20nm-100皿，其它铁石恼石磁光薄膜与YIG薄膜的层厚比 为 1 ;1 至 10 ;1。
[0015] 上述步骤S中快速退火的次数为一次。
[0016] 上述步骤S中的温度为500°C-800°C。
[0017] 上述步骤二中脉冲激光的频率为10化。
[0018] 上述步骤一中半导体基体为Si、石英或单晶GGG基体。
[0019] 发展新的制备方法在半导体基体上生长制备高质量和高品质因子的铁石恼石磁 光材料，是集成非可逆光学器件应用的迫切需求。本发明所述的一步脉冲激光沉积多层磁 光薄膜的方法，利用脉冲激光沉积法，一步连续沉积两层或S层铁石恼石磁光薄膜，通过控 制基体温度、激光能量密度、激光频率、气氛条件，可W制备品质优良的磁光薄膜。现有的制 备方法为两步沉积法，只能先沉积YIG层，然后进行退火处理，最后在YIG层上再沉积其它 铁石恼石磁光薄膜。而本发明采用脉冲激光沉积方式不仅可W先沉积YIG，也可W先沉积其 它铁石恼石磁光薄膜，最后对沉积的薄膜进行一次退火处理，本发明可得到完全晶化的多 层磁光薄膜。采用本发明的方法制备的铁石恼石磁光薄膜的品质得到了显著的提高，铁石 恼石磁光薄膜无裂纹和缺陷，磁光性能也显著提高并缩短了制备的时间，本方法所需的制 备时间比现有的制备方法所需的时间相比，缩短了一半W上，从而提高了效率。在1564nm 的光通讯波段，采用现有的制备方法得到的磁光隔离器件的插入损耗为18. 8地，而采用本 发明的方法得到的磁光隔离器件的插入损耗低至7. 2地。
[0020] 本发明可用于沉积多层磁光薄膜，实现在光隔离器W及其它非互易光学器件上的 集成应用。
【附图说明】
[0021] 图1是【具体实施方式】四中的YIG为沉积的第一层的两层铁石恼石磁光薄膜的结构 不意图。
[0022] 图2是【具体实施方式】四中的YIG为沉积的第二层的两层铁石恼石磁光薄膜的结构 不意图。
[0023] 图3是【具体实施方式】四中的YIG为沉积的第一层和第=层的=层铁石恼石磁光薄 膜的结构示意图。
[0024] 图4是【具体实施方式】四中的YIG为沉积的第二层的=层铁石恼石磁光薄膜的结构 不意图。
[0025] 图5为【具体实施方式】八中的YIG为沉积的第二层的两层铁石恼石磁光薄膜的透射 电子显微镜（TEM)组织形貌图。
[0026] 图6为图5中CeYIG与Si基体的界面的高分辨率电子显微镜图。
[0027] 图7为【具体实施方式】八中的两层和=层铁石恼石磁光薄膜的磁滞回线图。
【具体实施方式】
[002引【具体实施方式】一：本实施方式所述的一步脉冲激光沉积多层磁光薄膜的方法，该 方法包括W下步骤：
[0029] 步骤一、将半导体基体放入真空腔体内，在温度为室温至700°C的条件下，待真空 腔体内的