[发明专利]一种硅上直接生长高掺杂钇铁石榴石薄膜的制备方法

说明书

本发明属于磁性氧化物薄膜的生长技术领域，具体涉及一种硅上直接生长高掺杂钇铁石榴石薄膜的制备方法。本发明通过改变稀土掺杂钇铁石榴石薄膜生长过程中的激光能量密度1.8J/cm²至4.0J/cm²、薄膜沉积温度400℃至850℃以及薄膜沉积气压1mTorr至20mTorr。将在硅基底上生长钇铁石榴石薄膜中的稀土掺杂浓度由原来的33％提高到了50％，材料在光通信1550nm波长的法拉第旋光常数由2800度/厘米提升为6000度/厘米,极大的增强了材料的磁光性能。

技术领域

本发明属于磁性氧化物薄膜的生长技术领域，具体涉及一种硅上直接生长高掺杂钇铁石榴石薄膜的制备方法。

背景技术

目前在光通讯领域广泛使用的隔离器，尽管器件的尺寸越做越小，但仍属于分立器件。这种器件采用磁光单晶材料，需要精确地制作其部件及仔细地进行校准，因而制作成本高，且制作时间长，系统不能集成，封装困难。若能将磁光材料和器件集成到半导体芯片上，将大大减小了器件尺寸，和生产成本，提高系统集成度。

目前，由于大量的半导体光学器件如探测器，激光器等是在硅上集成的，这就要求非互易光学器件和磁光材料也能够在硅上单片集成，因此是国际上集成光学研究的研究热点和重要发展方向。

在硅基底上制备薄膜中，由于钇铁石榴石和硅之间存在很大的晶格失配从而造成了液相外延、物理气相沉积、化学气相沉积等方法都不能实现钇铁石榴石薄膜在硅上的外延生长。因此研究多晶石榴石磁光薄膜材料在硅上的集成工艺，研究材料的光学损耗机理和影响磁光性能的因素，对于提高材料磁光优值和器件的硅上单片集成就非常重要。

对于硅上生长的钇铁石榴石磁光薄膜而言，稀土掺杂是提高薄膜磁光效应的主要途径。在已有的文献报道中，硅上生长的钇铁石榴石磁光薄膜稀土元素掺杂含量比较低，制约了材料磁光效应的提高。如Ce掺杂YIG薄膜中，Ce元素在Y位含量仅为33％(Ce₁Y₂Fe₅O₁₂)。因此发展薄膜集成工艺，提高薄膜材料的稀土离子掺杂含量，提高薄膜磁光性能即法拉第旋光常数，对制备高性能集成光隔离器具有至关重要的意义。

发明内容

针对上述存在问题或不足，本发明提供了一种硅上直接生长高掺杂钇铁石榴石薄膜的制备方法，以解决目前高稀土掺杂钇铁石榴石薄膜难以硅上集成的问题，为硅集成非互易光学器件提供材料基础。

该硅上直接生长高掺杂钇铁石榴石薄膜的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1：采用脉冲激光沉积PLD技术，在硅基底上首先沉积一层30-60纳米的YIG薄膜作为籽晶层。

步骤2：采用快速退火技术，对步骤1得到的YIG薄膜籽晶层进行快速退火，得到多晶的YIG薄膜。

步骤3：采用PLD技术，在步骤2制得的多晶YIG薄膜上生长稀土掺杂钇铁石榴石薄膜；其中脉冲激光沉积时能量密度为1.8J/cm²至4.0J/cm²，薄膜的沉积温度在400℃至850℃，沉积气压为1mTorr至20mTorr。

所述步骤1中硅基底在沉积前，先依次采用有机溶剂丙酮,乙醇和去离子水于超声清洁仪里进行超声清洗3-5分钟，清洗完成后，并迅速用氮气吹干。

本发明为得到高稀土掺杂的钇铁石榴石薄膜，在步骤3的PLD技术中采用：

1、激光能量密度的控制：