[发明专利]一种小周期Z切压电晶片、薄膜、波导及其制备方法

说明书

本申请公开一种小周期Z切压电晶片、薄膜、波导及其制备方法，所述小周期Z切压电晶体晶片，以及基于所述晶片制备的薄膜和波导均具有超晶格结构，并且，所述超晶格结构的周期可以达到6μm以下，甚至可达2μm，并且，所述超晶格结构均具有较为平整的电畴壁，所述超晶格结构通过在晶片上下表面设置具有套刻差的电极对制备，所述方法简便，易于操作，工艺条件易于控制。

技术领域

本申请属于功能性半导体材料领域，特别涉及一种小周期Z切压电晶片、薄膜、波导及其制备方法。

背景技术

由于具有较高的非线性频率转换效率，基于准位相匹配的超晶格波导受到国内外研究人员的长期关注和研究。目前，制备超晶格波导的方法主要包括两大类：一是先制备超晶格薄膜，再在超晶格薄膜上制备超晶格波导；二是先制备薄膜波导，再对薄膜波导制备超晶格结构。

对于第一种制备方法，超晶格薄膜可通过室温电场极化法制备，图1a至图1f示出室温电场极化法制备超晶格压电晶体薄膜的极化电极以及畴翻转过程示意图，如图1a至图1f所示，室温电场极化法，首先在压电晶体薄膜(+z面向上)的上表面间隔设置周期性正电极板，在所述压电晶体薄膜的下表面设置整体负电极，通过向所述压电晶体薄膜施加电场，使所述压电晶体薄膜正负电极相对的区域发生畴反转，从而形成超晶格薄膜。

然而，薄膜型超晶格波导所需超晶格周期较小，例如，用薄膜型超晶格波导实现1550nm到775nm波长光转换，需要4μm周期左右的超晶格结构，图2a至图2c示出畴翻转过程中连畴形成的过程，如图2a至图2c所示，由于畴壁处激活能较低，容易成核，因此，在压电晶体薄膜上制备周期较小的光学超晶格易导致畴横向扩展严重，引起连畴现象。例如，即使使用宽度最小的1μm电极，能够得到的最小超晶格周期也为8μm，是目标周期长度的2倍，并且，常规光刻机光刻出小于1μm的线条宽度也具有相当大的难度。

图3示出对薄膜波导制备超晶格结构的电极分布示意图，如图3所示，对于第二种制备方法，通常在x切的压电晶体薄膜001的单侧表面直接制备周期性的正负电极002，正负电极002相对设置，通过所述正负电极施加电场加以制备。但是，这种方法对电极的加工制备所要求的工艺条件高，制备过程缓慢，一次只能制备一条光学超晶格波导，效率低下。图4示出采用所述第二种方法制备的超晶格薄膜波导的照片，由图4可知，采用所述第二种制备方法制得的超晶格波导的畴翻转结构的畴壁不垂直，反转区域内部并未完全反转，只能在薄膜表面形成畴反转，而且，所形成的畴并非为规则的矩形，不利于产品的工业生产。

发明内容

为解决上述技术问题中的至少一种，例如，超晶格波导制备工艺复杂，所制得超晶格波导中畴结构质量差，超晶格周期长等问题，本申请提供一种小周期Z切压电晶体晶片、薄膜、波导及其制备方法，所述小周期Z切压电晶体晶片，以及基于所述晶片制备的薄膜和波导均具有超晶格结构，并且，所述超晶格结构的周期可以达到6μm以下，甚至可达2μm，并且，所述超晶格结构均具有较为平整的电畴壁，本申请提供的制备所述小周期Z切压电晶体晶片、薄膜、波导方法简便，易于操作，工艺条件易于控制。

本申请的目的在于提供以下几个方面：

第一方面，本申请提供一种小周期Z切压电晶片，所述晶片具有周期分布的超晶格结构，其中，所述超晶格结构的周期长度为2～6μm，优选为4.3μm，所述超晶格结构的电畴壁由晶片的+Z面贯穿至晶片的-Z面，并且，所述超晶格结构中每个电畴的剖面为楔形。

在一种可实现的方式中，所述超晶格结构的电畴壁与+Z面的夹角为0°～0.2°。

在一种可实现的方式中，制备所述小周期Z切压电晶片的材料包括同成分铌酸锂、同成分钽酸锂、近化学计量比铌酸锂、近化学计量比钽酸锂、掺杂铌酸锂、掺杂钽酸锂和磷酸氧钛钾(KTiOPO₄，KTP)等。

第二方面，本申请还提供一种小周期Z切压电薄膜，所述薄膜由第一方面所述小周期Z切压电晶片减薄所得。