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2024年 第53卷 第3期
刊出日期：2024-03-15

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“铌酸锂集成光子学”专栏

铌酸锂晶体的缺陷结构

刘宏德, 王维维, 张中正, 郑大怀, 刘士国, 孔勇发, 许京军

2024, 53(3):  355-371. 

摘要 ( 163 )   PDF (16527KB) ( 445 )  

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铌酸锂是集电光、声光、压电和非线性等性能于一体的人工晶体,在光子学及光电子学等领域具有广泛的应用前景,被誉为“光学硅”或“光子学硅”。近年来随着基于薄膜铌酸锂的集成光子学的迅猛发展,铌酸锂晶体受到更加广泛的关注。然而铌酸锂是一种典型的非化学计量比晶体,其含有大量的本征缺陷,严重影响了晶体性能;同时,铌酸锂晶格对众多杂质离子都有良好的固溶性,而且晶体的性质随着杂质离子的种类和浓度不同产生显著变化。如同单晶硅等半导体材料的缺陷工程,缺陷已经并且必将继续对晶体的性能及铌酸锂集成光子学产生重要影响。本文对铌酸锂晶体的缺陷结构做了一个简要的回顾,尤其是近期涉及薄膜铌酸锂晶体的相关内容,涵盖了本征缺陷结构、非本征缺陷结构、缺陷结构的表征、缺陷结构的理论计算、缺陷结构与晶体性能的构效关系等方面,以期对当前的铌酸锂集成光子学研究贡献微薄之力。

低损耗薄膜铌酸锂光集成器件的研究进展

林锦添, 高仁宏, 管江林, 黎春桃, 姚妮, 程亚

2024, 53(3):  372-394. 

摘要 ( 208 )   PDF (13171KB) ( 342 )  

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近年来得益于薄膜铌酸锂晶圆离子切片技术和低损耗微纳刻蚀工艺的飞速发展,薄膜铌酸锂光集成结构提供了光场紧束缚、快速电光调谐、高效频率转换和声光转换的空前能力,各种高性能的薄膜铌酸锂光集成器件不断涌现,且朝着大规模光集成芯片的方向迅猛发展,为高速信息处理、精密测量、量子信息、人工智能等重要应用提供了全新的发展动力。本文主要围绕铌酸锂晶体发展历史、薄膜铌酸锂离子切片技术发展历程、极低损耗微纳刻蚀技术演化进程,以及高性能的薄膜铌酸锂光集成器件进展进行总结,并展望了未来的发展趋势。

铌酸锂导电畴壁及其应用

张煜晨, 李三兵, 许京军, 张国权

2024, 53(3):  395-409. 

摘要 ( 139 )   PDF (12952KB) ( 202 )  

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铌酸锂(LiNbO₃,LN)是一种多功能的单轴铁电材料,广泛应用于光学调制器、光学频率梳、光波导等领域。导电畴壁(DW)作为镶嵌在绝缘材料中纳米尺度的导电通道,在非易失性存储器、逻辑门、晶体管等领域展现出重要的应用前景,促进了铌酸锂在纳米光电子学领域的应用。绝缘体上铌酸锂薄膜(LNOI)畴壁p-n结的实现有望进一步促进铌酸锂基光电一体化芯片的发展进程。本文简要回顾了铌酸锂导电畴壁的研究进展,介绍了畴壁的制备、导电机制、导电类型和畴壁的应用,重点介绍了铌酸锂畴壁p-n结的研究,进一步结合应用热点概述了铌酸锂畴壁光电子器件开发进程中的关键问题、机遇和挑战。

薄膜铌酸锂光电探测器近期研究进展

谢汉荣, 杨铁锋, 韦玉明, 关贺元, 卢惠辉

2024, 53(3):  410-425. 

摘要 ( 133 )   PDF (17571KB) ( 295 )  

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

铌酸锂晶体具有高电光、压电和非线性光学系数,宽光学透明范围、兼容速度匹配、相位匹配和色散工程,长期稳定性以及可低成本制备光学级晶圆等众多优势,作为构筑如电光调制器、光学频率梳、光波导等光电子器件的重要平台,在信息通信领域的光产生、光传输、光调制等领域大放异彩,被誉为“光子领域的硅”,具有巨大的集成应用潜力,受到学术界和产业界的广泛关注。然而,由于铌酸锂的绝缘体和弱光学吸收特性,基于铌酸锂平台的集成应用领域还面临光电转换效率低和探测难的问题,全光通信中光解调和光提取需要高性能探测器的支撑,因此研发基于铌酸锂的光电探测器具有重大的科学意义和应用价值。本文从铌酸锂的基本结构特性出发,详细介绍了铌酸锂的优异物性和光电转化机理,综述了国内外学者近期的一些研究成果,重点阐述了基于铌酸锂晶体的光波导集成型光电探测器和异质结型光电探测器的研究进展,探讨并比较了不同路线的优点和发展潜力,并对该领域提出展望。

晶圆级薄膜铌酸锂波导制备工艺与性能表征

叶志霖, 李世凤, 崔国新, 尹志军, 王学斌, 赵刚, 胡小鹏, 祝世宁

2024, 53(3):  426-433. 

摘要 ( 269 )   PDF (9742KB) ( 430 )  

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随着光子集成和光通信技术的快速发展,低损耗波导是实现高效光子传输的关键元件,其性能直接影响整个集成芯片的性能。因此,低损耗波导的制备技术是当前铌酸锂集成光子技术研究的热点和难点。本研究针对晶圆级低损耗薄膜铌酸锂波导的制备工艺进行了深入研究,在4英寸的薄膜铌酸锂晶圆上,基于深紫外光刻和电感耦合等离子体刻蚀技术,成功制备出了传输损耗低于0.15 dB/cm的波导,同时刻蚀深度误差控制在10%以内,极大地提高了波导结构的精确度。此外,本研究还提出了一种基于微环谐振腔的晶圆上波导损耗的表征方案,能更精确地评估波导性能。通过测试,发现所制备的波导合格率超过85%,显示出良好的可重复性和可靠性。本文中发展的晶圆级薄膜铌酸锂加工工艺,对推进铌酸锂波导的大规模制备和应用具有重要意义。

8英寸铌酸锂晶体生长研究

孙德辉, 韩文斌, 李陈哲, 彭立果, 刘宏

2024, 53(3):  434-440. 

摘要 ( 121 )   PDF (10449KB) ( 212 )  

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铌酸锂单晶薄膜(LNOI)在新一代信息技术中关键通信器件领域的作用日益显著,随着铌酸锂单晶薄膜制备技术和光子集成技术的发展,降低芯片成本、增加芯片集成度是光子集成芯片永恒不变的发展方向,因此迫切需求大尺寸铌酸锂晶体。本文讨论了大尺寸坩埚中熔体自然对流随着液面下降的变化规律,研究了8英寸(1英寸=2.54 cm)铌酸锂Z轴、X轴两个提拉方向的生长特点,获得等径尺寸大于ϕ210 mm×50 mm的8英寸Z轴、X轴铌酸锂晶体。1 mm厚X轴铌酸锂晶圆的透过率显示波长380~3 300 nm光谱的透过率超过了70%,晶片纹影图像显示晶体中存在折射率脉理缺陷。

适温离子交换掺铒铌酸锂薄膜的制备研究

何雨轩, 吴江威, 陈玉萍, 陈险峰

2024, 53(3):  441-448. 

摘要 ( 72 )   PDF (7142KB) ( 74 )  

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本文通过制备KNO₃和Er(NO₃)₃熔融混合物,将其与铌酸锂薄膜在高温管式炉中混合进行适温热扩散,并结合退火工艺,发明了一种直接在铌酸锂薄膜上掺杂Er³⁺的方法。通过不断变换热扩散温度、掺杂试剂浓度比例和晶体切向等参数,用控制变量法探究了不同参数对适温离子交换法掺杂Er³⁺效果的影响,在热扩散和退火温度360 ℃及KNO₃和Er(NO₃)₃质量比25∶1的参数设置下获得了表面形貌较佳的Z切掺铒铌酸锂薄膜。通过飞行时间二次离子质谱仪并利用已知掺杂浓度的薄膜进行定标,检测了所获得的掺铒铌酸锂薄膜中的Er³⁺浓度情况,对所采用适温离子交换法的有效性进行了验证。这一方法大幅简化了铌酸锂薄膜掺杂的工艺,同时节约了成本,有助于后续在铌酸锂薄膜平台上实现分区掺杂的工作,为未来定制化铌酸锂光子集成平台的搭建提供参考。

极化电极均匀化设计调控铌酸锂周期极化占空比

刘齐鲁, 郑名扬, 高洋, 张龙喜, 宋于坤, 王孚雷, 刘宏, 王东周, 桑元华

2024, 53(3):  449-457. 

摘要 ( 83 )   PDF (10490KB) ( 115 )  

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

准相位匹配(QPM)理论上能够充分利用晶体的非线性光学系数、无走离效应,在光学频率转换中具有非常大的优势。铌酸锂晶体(LiNbO₃, LN)具有高非线性光学系数、宽通光范围和低生长成本,因此基于铌酸锂铁电畴结构设计获得的周期极化铌酸锂晶体(PPLN)成为准相位匹配技术的理想选择。目前制备PPLN晶体最常用的方法是外加电场极化法,制备过程中,电极结构的参数对极化过程至关重要。本研究基于实时监测下的电场极化过程,结合有限元分析,对不同电极结构的空间电场分布进行分析,发现电极边缘出现电场极大值,而电极内部的电场分布相对均匀。基于这一现象,本文提出了一种多通道电极结构的设计方案,以实现极化空间内部电场的均匀分布。本研究采用十通道电极进行极化实验,通过表征每个通道的占空比,发现内部八个通道的占空比大小均匀且在50%±5%范围,通过晶体的倍频实验验证发现十通道周期极化样品中中间通道相对边缘通道的非线性转换效率明显提升并分布均匀,证明其中间通道具有占空比可控的均匀极化结构,为极化空间电场均匀化设计提供了一种高效合理的设计方案。

飞秒激光直写铌酸锂晶体半包层光波导

段雨濛, 贾曰辰, 吕金蔓

2024, 53(3):  458-464. 

摘要 ( 93 )   PDF (5235KB) ( 95 )  

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

本文采用飞秒激光微纳加工技术在铌酸锂(LiNbO₃)晶体中成功制备了直径为30、40和50 μm的半包层波导,并通过端面耦合技术对其导波性能进行测试,得出半包层波导在633、1 550 nm波长下具有优良的传输性能,且仅支持TM偏振方向传输,具有单偏振性;通过计算波导的传输损耗,得出了30 μm直径的波导在633及1 550 nm波长下传输性能最佳。并且通过Rsoft软件理论计算,证明了实验结果的合理性。本研究结果为光波导设计和性能优化提供了重要的参考,具有一定的实验和理论价值。

基于亚波长光栅辅助定向耦合器的集成铌酸锂偏振分束器

陈力, 周旭东, 袁明瑞, 肖恢芙, 田永辉

2024, 53(3):  465-471. 

摘要 ( 83 )   PDF (7829KB) ( 86 )  

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

绝缘体上铌酸锂(LNOI)是实现高速光子集成回路(PICs)的理想平台。通过充分利用铌酸锂(LN)的优势,LNOI平台能够实现高速电光和高效非线性光学集成器件。偏振分束器(PBS)作为分离和组合两种正交偏振光模式的关键无源器件之一,在实现片上偏振复用系统并提升光通信系统数据传输容量方面发挥着至关重要的作用。近年来,基于不同结构的PBS已经被成功实现,其中,基于亚波长光栅辅助定向耦合结构的PBS表现出优异的器件性能和紧凑的器件尺寸。本文基于氮化硅-铌酸锂异质集成的间接刻蚀方案,实现了一种亚波长光栅辅助定向耦合结构的高性能PBS。仿真结果表明,当波长在1 500~1 600 nm时,器件的偏振消光比均大于24.49 dB。实验数据进一步证实,当波长在1 500~1 580 nm时,器件偏振消光比均大于18.06 dB。

铌酸锂基表面活性剂辅助的水合液滴光伏输运研究

师丽红, 高作轩, 阎文博

2024, 53(3):  472-479. 

摘要 ( 63 )   PDF (8848KB) ( 51 )  

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

本文提出了一种利用表面活性剂辅助的水合液滴光伏输运方法。该方法通过油/水/铌酸锂界面上非离子表面活性剂(Span 80)的自组装分子层,将光伏电荷隔离。利用表面活性剂分子层提供的强静电操控力、低操控阻力和高操控稳定性,使用微瓦级低功率激光束实现了飞升级单个水合液滴的光伏输运。实验结果显示,水合液滴对光伏电场的响应可分为三种状态:无响应、排斥和吸引。随着表面活性剂浓度的增加,水合液滴的驱动机制从库伦排斥转变为适用于光伏输运的介电泳吸引。光伏电场驱动水合液滴(介电泳吸引)所需的最小激光功率与NaCl溶质浓度有关。

研究论文

氨热法GaN单晶生长的位错密度演变研究

夏政辉, 李腾坤, 任国强, 解凯贺, 卢文浩, 李韶哲, 郑树楠, 高晓冬, 徐科

2024, 53(3):  480-486. 

摘要 ( 61 )   PDF (5728KB) ( 50 )  

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

氮化镓单晶具有高击穿电压、直接带隙、高饱和电子漂移速率、良好的化学稳定性等特性,在光电子器件和大功率电子器件中有广泛的应用。然而异质外延氮化镓会产生高位错密度,限制了氮化镓基器件的性能发挥。本研究以HVPE-GaN为籽晶,采用氨热法生长了氮化镓单晶,利用扫描电子显微镜(SEM),光学显微镜和湿法腐蚀研究了氨热法氮化镓单晶籽晶区至侧向生长区的位错演变。研究结果表明,侧向生长区的氮化镓单晶位错密度明显低于籽晶区,侧向生长超过25 μm后,位错密度降低2个数量级。

8英寸半导电型GaAs单晶衬底的制备与性能表征

任殿胜, 王志珍, 张舒惠, 王元立

2024, 53(3):  487-496. 

摘要 ( 69 )   PDF (16768KB) ( 48 )  

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

本文使用垂直梯度凝固(VGF)法制备了直径超过200 mm的Si掺杂GaAs单晶。通过多线切割、磨边、研磨、化学机械抛光和湿法化学清洗等加工工序制备出8英寸半导电型GaAs单晶衬底。使用X射线衍射、位错密度检测、霍尔测试、非接触式表面电阻率测试、光致发光测试和晶圆表面缺陷检测等对8英寸GaAs衬底的晶体质量、位错、电学性能和表面质量等特性进行了测试分析。结果表明:衬底(400)衍射峰半峰全宽低于0.009°;平均位错密度低于30 cm^-2,其中,晶体头部平均位错密度为1.7 cm^-2,且有98.87%的面积位错密度为0;衬底面内电阻率标准差小于6%,面内光致发光强度标准差小于4%,≥0.2 μm的表面光点缺陷(LPD)个数小于10。上述结果表明,所制备的8英寸GaAs衬底质量优异,满足外延器件对高质量衬底的要求。

13N超高纯锗单晶的制备与性能研究

顾小英, 赵青松, 牛晓东, 狄聚青, 张家瑛, 肖溢, 罗恺

2024, 53(3):  497-502. 

摘要 ( 72 )   PDF (2990KB) ( 55 )  

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13N超高纯锗单晶是制作超高纯锗探测器的核心材料。本文通过还原法获得还原锗锭,再由水平区熔法提纯获得12N高纯锗多晶,最后由直拉法生长得到13N超高纯锗单晶。通过低温霍尔测试、位错密度检测、深能级瞬态谱(DLTS)测试对13N超高纯锗单晶性能进行分析。低温霍尔测试结果显示,晶体头部截面平均迁移率为4.515×10⁴ cm²·V^-1·s^-1,载流子浓度为1.176×10¹⁰ cm^-3,导电类型为p型,位错密度为2 256 cm^-2;尾部截面平均迁移率为4.620×10⁴ cm²·V^-1·s^-1,载流子浓度为1.007×10¹⁰ cm^-3,导电类型为p型,位错密度为2 589 cm^-2。晶体深能级杂质浓度为1.843×10⁹ cm^-3。以上结果表明该晶体是13N超高纯锗单晶。

大尺寸金刚石激光闪射法热导率测试研究

张雅淋, 安晓明, 葛新岗, 姜龙, 李义锋

2024, 53(3):  503-510. 

摘要 ( 64 )   PDF (3192KB) ( 42 )  

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为解决大尺寸金刚石热导率的测试问题,本文在耐驰LFA467激光闪射仪的基础上,设计了垂直模式和In-Plane模式的ϕ100 mm测试样品架,从理论分析和实际测试两方面证明了ϕ100 mm样品架的可行性。从理论分析结果得出,新样品架带来的样品边界条件的变化对测试结果影响不大。从实际测试结果来看,垂直模式和In-Plane模式的ϕ100 mm样品架的热导率比标准样品架的热导率分别高3.6%和6.5%,仍在可接受范围内。本文设计的ϕ100 mm样品架最大能够测试ϕ100 mm的样品,有助于保护样品的完整性,实现激光闪射法大尺寸金刚石热导率的无损测试。

含螺旋孔的超材料夹层板的带隙特性研究

张玖林, 田霞

2024, 53(3):  511-518. 

摘要 ( 42 )   PDF (10957KB) ( 21 )  

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本文提出一种新型低频宽带的穿孔超材料夹层板,旨在有效抑制板间横向振动。该结构的单胞由上下层面板、螺旋板、圆柱振子和支撑部件等构成。其中,螺旋板上设计4个螺纹孔,圆柱振子通过螺栓固定于板中心,螺旋板通过两侧横板与支撑部分连接。采用COMSOL仿真软件对胞元进行有限元分析,获得了无限周期结构的能带和共振模态,并计算了有限周期结构的传输透射率。结果表明,该结构能够产生两个宽幅的低频振动带隙,带隙范围内的振动衰减明显。本文进一步揭示了带隙机理,优化了结构参数,实现了两带隙的低频耦合,给出了符合工程实际需求的带隙。

N和As掺杂二维GeC光电性质的第一性原理研究

李萍, 秦彦军, 庞国旺, 唐玉柱, 张遥, 王鹏, 刘晨曦

2024, 53(3):  519-525. 

摘要 ( 45 )   PDF (6679KB) ( 26 )  

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本文基于密度泛函理论第一性原理,系统研究了单层GeC,N掺杂、As掺杂及N-As共掺杂GeC体系的稳定性、电子结构及光学性质等。结果表明,单层GeC是一种禁带宽度为2.10 eV的直接带隙半导体。与单层GeC相比,掺杂后体系的禁带宽度和功函数均减小,表明体系的电子跃迁所需的能量相对较少。并且,掺杂后体系的光吸收系数均有所提高,同时吸收带边也发生了红移,有效拓宽了体系对光的响应范围,提高了体系对光子的吸收能力。此外,As掺杂GeC体系不仅在费米能级附近出现了杂质能级,而且在低能区的吸收系数、静介电函数及消光系数等光学性质最优。本研究可为GeC光电相关实验制备提供理论基础。

Bi和Ag掺杂对SnTe热电性能的影响

高磊, 杨欣月, 李文浩, 王家宁, 刘瑞秀, 郑树启

2024, 53(3):  526-533. 

摘要 ( 37 )   PDF (5929KB) ( 32 )  

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SnTe的晶体结构和能带结构与中温区性能最好的热电材料PbTe相似,因此作为PbTe的替代品被广泛研究。减小SnTe的轻重价带能量差和扩大带隙是优化SnTe热电性能的有效手段。本文通过Bi和Ag共同掺杂SnTe,使轻重价带能量差有效减小,带隙明显增大,获得了电运输性质提高的Sn_1-2xBi_xAg_xTe(x=0,0.01,0.02,0.03,0.04)样品。掺杂量x=0.03和0.04的Sn_1-2xBi_xAg_xTe样品相较于未掺杂的SnTe功率因数均有明显提升,其中,Sn_0.94Bi_0.03Ag_0.03Te样品的最大功率因子为15.34 μW·cm^-1·K^-2,与未掺杂的SnTe相比,提升了12.9%。Sn_0.92Bi_0.04Ag_0.04Te样品的最大功率因子为14.53 μW·cm^-1·K^-2。同时,Bi和Ag共掺降低了SnTe的热导率,本研究得到Sn_0.92Bi_0.04Ag_0.04Te样品的总热导率明显低于未掺杂的SnTe,并且所有样品热导率都随温度升高而逐渐降低。在823 K时,Sn_0.92Bi_0.04Ag_0.04Te样品的总热导率降低为3.073 W·m^-1·K^-1,其ZT值提升到了0.387。可见,对于提高SnTe热电性能,Bi和Ag共掺是一种有效策略。

基于柔性苯二乙酸Co/Ni配位聚合物的构筑和电化学性能研究

林涛海, 张军, 葛庆, 张钢强, 张美丽

2024, 53(3):  534-540. 

摘要 ( 46 )   PDF (5024KB) ( 23 )  

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基于柔性苯二乙酸水热合成2个配位聚合物([Co(tib)(mpda)(H₂O)₂]·H₂O,[Ni(tib)(mpda)(H₂O)₂]·H₂O)(tib=均苯三咪唑,mpda=间苯二乙酸),利用元素分析、红外光谱、热重分析和X射线单晶衍射等进行表征。在[Co(tib)(mpda)(H₂O)₂]·H₂O的结构中,tib配体作为三节点与Co(II)离子配位形成2D网格面;顺式mpda以端基式附着在2D网格面上;再通过mpda的未配位羧基O与配位水分子之间O—H…O相互作用(O1…O3键长为0.262 4 nm,∠O5—H5A…O2=155.41°)形成三维超分子网络结构。2个配位聚合物属于异质同晶,晶体结构基本一致。2个配位聚合物的比表面积分别为54和58 m²/g,且[Ni(tib)(mpda)(H₂O)₂]·H₂O具有完整的循环伏安曲线(还原、氧化电位分别为0.205、0.563 V)和良好的扫描速率。

MnGa二元合金等静压电子结构与磁性质的研究

张飞鹏, 路清梅, 刘卫强, 张东涛, 岳明

2024, 53(3):  541-550. 

摘要 ( 35 )   PDF (2301KB) ( 15 )  

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为了研究等静压下非稀土磁性材料MnGa合金的电子结构和磁性质,本文在密度泛函理论计算的基础上系统研究了四方MnGa合金在500 MPa等静压下的晶格结构、生成、自旋电子结构和磁性质。结果表明,四方MnGa合金在500 MPa等静压下更容易生成,呈各向异性压缩性质。合金中异类原子之间的距离较小,同类原子之间的距离较大。四方MnGa合金在500 MPa等静压下的能带结构呈金属性导体型。与Ga的d电子相比,四方MnGa合金中Mn的d电子呈现较高的净磁矩,贡献了体系的剩磁。四方MnGa合金呈现弱的亚铁磁性,在500 MPa等静压下净有效磁矩减小。