CN109100900B - 一种HfO2基铁电材料的使用方法 - Google Patents

一种HfO2基铁电材料的使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于半导体器件及非线性光学应用领域，特别涉及一种HfO2基铁电材料的使用方法。本发明将用于半导体存储行业的HfO2基铁电材料作为非线性光学材料应用于非线性光学元器件，利用铁电材料具有自发极化特性，并且自发极化可随外电场进行反转并在断电时仍可保持的先天非线性光学性能。还利用所设计的器件金属结构将电场局域在铁电HfO2层，从而得到更强的二次谐波激发，具有优异的CMOS兼容性和突出的可小型化能力，在更广的温度范围内具有更高的稳定性。可应用于电光开光、激光调频、传感检测等领域。对发展具有半导体兼容性且可小型化的光学元器件具有重要的意义。

Description

一种HfO2 基铁电材料的使用方法
技术领域
本发明属于半导体器件及非线性光学应用领域，特别涉及一种HfO2基铁电材料的使用方法。
背景技术
非线性光学元器件广泛应用于光通信和集成光学等领域,例如利用各种非线性晶体做成电光开关和实现激光的调制，利用二次及三次谐波的产生、二阶及三阶光学的和频与差频实现激光频率的转换，获得短至紫外、真空紫外，长至远红外的各种激光；同时，可通过实现红外频率的上转换来克服在红外接收方面的困难。随着人们对于器件集成度要求的不断提高，寻找一种具有半导体兼容性、可小型化、低功耗的非线性光学材料变得尤为重要。
尽管已知的具有非线性性能的材料众多，但是金属氧化物更受到工业界的青睐，传统的常用的非线性晶体材料有铌酸锂(LiNbO3)，钛酸钡(BTO)和磷酸二氢钾(KDP)。但这类传统材料的半导体兼容性能力不佳，功耗较大，并且不具备良好的小型化能力。因此业内人士一直致力于寻找新的非线性光学材料以提升其这些方面的性能，满足生产发展的需求。
自2011年T.Mikolajick等首次发现掺杂的HfO2薄膜具有铁电性能以来，HfO2基铁电材料因制备工艺与CMOS完全兼容、可小型化的特点而被广泛应用于半导体存储行业，并被业内追捧。但是对于这种材料在非线性光学领域的应用却未见报道。
发明内容
针对上述存在的问题或不足，为解决现有非线性光学材料半导体兼容性能力不佳、功耗较大和小型化能力不足的问题，本发明提供了一种HfO2基铁电材料的使用方法。
一种HfO2基铁电材料的使用方法：将HfO2基铁电材料作为非线性光学材料应用于非线性光学元器件制备。
进一步的，所述HfO2基铁电材料为锆、铝、硅、钇或多元掺杂的HfO2基铁电材料体系。
进一步的，所述HfO2基铁电材料作为非线性光学材料使用时，利用所设计的器件金属结构、介质结构或光波导结构将电场局域在铁电HfO2层。
进一步的，所述非线性光学元器件为二阶非线性光学和电光效应领域内的非线性光波导器件，非线性光子晶体器件，非线性表面等离子激元器件，非线性超构材料，非线性超构表面和非线性全介质谐振结构。
HfO2基铁电材料非线性光学元器件的制备方法如下：
步骤1、在TiN薄膜基底上生长非晶掺杂的HfO2薄膜；
步骤2、在步骤1得到的HfO2薄膜上生长TiN顶电极并进行快速退火处理，得到多晶掺杂的HfO2铁电薄膜；
步骤3、将步骤2制得的多晶掺杂的HfO2铁电薄膜置于双氧水中，刻蚀除去顶层的TiN；
步骤4、利用Comsol电脑仿真软件根据需要产生的二次谐波波段设计出相应的光学结构尺寸。
步骤5、采用电子束光刻EBL技术根据电脑仿真出的光学结构尺寸制作出相应的光学图形。
步骤6、利用电子束蒸发技术在步骤5制得的图形中沉积金。
步骤7、将步骤6中沉积完金属金的样品置于丙酮溶液中进行光刻胶的剥离，完成二阶非线性光学器件的全部制备。
本发明将用于半导体存储行业的HfO2基铁电材料作为非线性光学材料应用于非线性光学元器件，利用铁电材料具有自发极化特性，并且自发极化可随外电场进行反转并在断电时仍可保持的先天非线性光学性能。基于铁电HfO2本身具有的非线性光学特征，并利用所设计的金属结构将电场局域在铁电HfO2层，从而得到更强的二次谐波激发，具有优异的CMOS兼容性和突出的可小型化能力。与有机高分子或有机晶体相比，无机铁电材料在更广的温度范围内具有更高的稳定性。可应用于电光开光、激光调频、传感检测等领域。对发展具有半导体兼容性且可小型化的光学元器件具有重要的意义。
综上所述，本发明制备的非线性光学元器件同时具备了CMOS兼容性和突出的可小型化能力，可运用于硅上高集成化的非线性光学领域，在更广的温度范围内具有更高的稳定性。
附图说明
图1为本发明制备流程图；
图2为实施例的XRD图谱；
图3为实施例的电滞回线特性图谱；
图4为实施例进行非线性测试制备的光栅结构图谱；
图5为实施例制得的光学器件反射谱图；
图6为实施例在入射激光功率为15.41mW、入射角为45度时的二次谐波激发特征图谱；
图7为HfO2基非铁电材料对照例在入射激光功率为15.41mW、入射角为45度时的二次谐波激发特征图谱；
图8为实施例计算得到的二阶非线性系数。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。
以钇含量为3.8mol.％，厚度为20nm的铁电HfO2薄膜为实施例对本发明中的具体步骤进行详细描述：
步骤1：采用磁控溅射沉积技术，在SiO2/Si基底上首先沉积一层100nm的TiN薄膜作为底电极。
取用SiO2/Si基片，用有机溶剂和去离子水清洗其表面，除去杂质。有机溶剂包括丙酮和乙醇。依次将硅片浸渍与丙酮、乙醇、去离子水中，并置于超声清洁仪里超声清洗各3分钟，并立即用氮气吹干。
a、将清洁后的SiO2/Si基底置于真空腔内靶材上方，靶基距固定为55mm，基片温度升高至300℃；
b、通入99.999％氩气，控制压强在0.13Pa，预溅射5min后开始沉积TiN底电极；
c、生长结束后，样品在真空条件下降至室温，从真空腔中取出。
步骤2：采用激光脉冲沉积PLD技术，在步骤1得到样品的TiN底电极上生长20nm钇掺杂的HfO2薄膜。
a、将步骤1中得到的样品置于真空腔内靶材上方，靶基距固定为55mm，基片温度升高至 100℃；
b、通入99.999％氧气，控制氧压在1Pa，采用波长为248nm的激光(KrF)烧蚀旋转的靶材表面，激光能量为2.5J/cm2，进行HfO2靶材和氧化钇靶材交换打靶，其中激光打击HfO2靶材的脉冲频率为5Hz，打击36下；打击氧化钇靶材的脉冲频率为2Hz，打击1下。如此循环28遍，得到厚度为20nm，钇含量为3.8mol.％的非晶HfO2薄膜。
步骤3：采用PLD技术，在步骤2制得的非晶掺钇的HfO2薄膜上原位生长30nm的TiN顶电极。a、步骤2结束后，停止通入氧气，使腔体保持高真空状态，将基片温度于5分钟由100℃匀速升至200℃；
b、通入99.999％氩气，气压保持在0.5Pa，采用波长为248nm的激光(KrF)烧蚀旋转的氮化钛靶材表面，激光能量为4J/cm2，激光脉冲频率为10Hz，生长30nm的TiN顶电极；
c、生长结束后，样品在高真空条件自然冷却下降至室温，从真空腔中取出。
步骤4：采用快速退火RTA技术，对步骤3得到的样品进行快速退火处理，得到多晶的掺钇的HfO2铁电薄膜。将步骤3中取出的样品置于快速退火炉中，通入99.999％氮气，气压保持在2mTorr，30s升温至600℃，保温1分钟，自然冷却至室温。取出样品，得到具有铁电性的多晶HfO2薄膜。
步骤5：将步骤4中得到的样品泡入温度为60℃的双氧水中，洗去顶层TiN电极，露出完整的HfO2铁电薄膜。
步骤6：由于希望制备得到的光学器件可以在400nm处得到二阶谐波激发，因此通过 Comsol仿真软件对设计的光栅结构进行高度、宽度、周期尺寸的调整，使得设计出的光栅结构可以在800nm波段产生谐振。最终确定的金属光栅高度为30nm，宽度为50nm，周期为230nm。
步骤7：根据步骤6中的计算机仿真结果，利用电子束光刻EBL技术制备宽度为50nm、周期为230nm的光栅结构。
在样品表面悬涂一层PMMA光刻胶，调节甩胶机的转速得到厚度大约为100nm厚的光刻胶。将悬涂有光刻胶的样品置于扫描电子显微镜中，选择使用100倍的显微镜镜头并调节至合适的电子束流，根据设计好的图形尺寸开始制作图形。
步骤8：在步骤7设计好光学图形后，将样品置于电子束热蒸发腔体内，沉积厚度为30nm 的金。
步骤9：将步骤8中沉积完金的样品置于丙酮溶液中，剥离剩余的PMMA光刻胶。再将样品分别置于酒精和去离子水中，最后用氮气***吹干表面。至此完成光学器件的全部制备过程。
对实施例制得的HfO2铁电材料进行二次谐波激发测试，所使用的激光功率为15.41mW，激光的入射角度为45度：
制得的HfO2铁电材料晶相的XRD测试结果如图2所示。从图2中可以看出，制得的HfO2铁电材料的主要晶相为正交相，说明该材料已具有非线性光学材料所必须的非中心对称结构。
实施例制得的HfO2铁电材料的电滞回线特性测试结果如图3所示。从图3中可以看出，该材料的剩余极化强度2Pr大约为20μC/cm2,具有良好的铁电性能。
实施例制得的铁电HfO2基光学器件的光栅结构如图4所示。光栅的宽度为50nm，光栅的厚度为30nm，光栅的周期为230nm。
实施例制得的光学器件反射谱图如图5所示。从图5中可以看出制备的光学器件的谐振波长在800nm左右，这与计算机仿真结果是相一致的，说明实施例的实际误差较小。
实施例制得的HfO2铁电材料在波长为800nm，功率为15.41mW，入射角为45度激光照射下的二次谐波激发信号如图6所示。从图6中可以看出信号在400nm处出现最大值，符合二次谐波激发(SHG)的特征，说明实施例制得的HfO2铁电材料具有二阶非线性特征。
HfO2基非铁电材料对照例在波长为800nm，功率为15.41mW，入射角为45度激光照射下的二次谐波激发信号如图7所示。从图7中可以看出信号在400nm处出现最大值，数值大约为400cps。图6中400nm处的信号最大值约为1200cps，为图7中的3倍。说明制得的 HfO2基铁电材料实施例表现出更加优良二阶非线性性能，适用于二阶非线性光学领域。
实施例制得的HfO2铁电材料的二阶非线性系数计算结果如图8所示，约为9.5pm/V。说明制得的实施例具有良好的二阶非线性系数。
通过上述的测试可以证明，HfO2铁电材料具有良好的二阶非线性性能，基于HfO2铁电材料设计的结构可以表现出更强的二次谐波激发。因此HfO2铁电材料可运用于电光开关、激光调频、传感检测等非线性光学领域。且其同时具备了CMOS兼容性和突出的可小型化能力，可运用于硅上高集成化的非线性光学领域，在更广的温度范围内具有更高的稳定性。

Claims (1)

1.一种HfO2基铁电材料的使用方法，其特征在于：
将HfO2基铁电材料作为非线性光学材料应用于二次谐波产生的非线性光学元器件制备，具体制备方法如下：
步骤1、在TiN薄膜基底上生长非晶掺杂的HfO2薄膜；
步骤2、在步骤1得到的HfO2薄膜上生长TiN顶电极并进行快速退火处理，得到多晶掺杂的HfO2铁电薄膜；
步骤3、将步骤2制得的多晶掺杂的HfO2铁电薄膜置于双氧水中，刻蚀除去顶层的TiN；
步骤4、利用Comsol电脑仿真软件根据需要产生的二次谐波波段设计出相应的光学结构尺寸；
步骤5、采用电子束光刻EBL技术根据电脑仿真出的光学结构尺寸制作出相应的光学图形；
步骤6、利用电子束蒸发技术在步骤5制得的图形中沉积金；
步骤7、将步骤6中沉积完金属金的样品置于丙酮溶液中进行光刻胶的剥离，完成二阶非线性光学器件的全部制备。
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