一种非线性光学晶体薄膜及其制备方法与流程

本申请涉及半导体元件，尤其涉及一种非线性光学晶体薄膜及其制备方法。

背景技术：

1、非线性光学晶体是一种功能材料，可对激光强电场产生二次及以上的非线性光学效应。因此，非线性光学晶体可以用来对激光的波长进行变频，从而扩展激光器的可调谐范围。进而可以应用于激光技术领域，以产生不同波长的激光，例如355nm波长的紫外光。

2、通过全固态紫外激光器来产生355nm波长的紫外光，首先将半导体激光器泵浦的全固态激光器输出的近红外光作为基频波，接着通过倍频晶体的倍频过程将基频波转换成二次谐波，最后将二次谐波和基频波通过和频晶体的和频过程产生355nm的紫外光。

3、但是，由于上述过程中，倍频晶体与和频晶体分别在不同的芯片上，因此，通过级联非线性光学晶体制备的全固态紫外激光器体积大，对基频波的非线性转化率低，不利于实际场景的应用。

技术实现思路

1、本申请提供了一种非线性光学晶体薄膜，该薄膜将铌酸锂薄膜与钽酸锂薄膜并列键合，对基频光的非线性转化率较高。

2、第一方面，本申请提供一种非线性光学晶体薄膜，包括：衬底层、隔离层和功能薄膜层；衬底层、隔离层和功能薄膜层依次层叠设置；衬底层位于隔离层的一侧，功能薄膜层位于隔离层的另一侧；其中，功能薄膜层包括铌酸锂薄膜和钽酸锂薄膜；铌酸锂薄膜和钽酸锂薄膜的侧端并列键合连接。

3、可选的，非线性光学晶体薄膜为周期极化薄膜结构。

4、可选的，非线性光学晶体薄膜为波导型薄膜结构，波导型薄膜结构包括脊型波导薄膜结构。

5、可选的，衬底层包括单晶硅，隔离层的折射率低于功能薄膜层的折射率，隔离层包括二氧化硅、氮化硅、氧化铝和氮化铝中的一种或多种组合。

6、第二方面，本申请还提供一种非线性光学晶体薄膜的制备方法，该方法用于制备如上述实施例所述的非线性光学晶体薄膜，其中，非线性光学晶体薄膜的制备方法包括：

7、在衬底层上制备隔离层，形成支撑基板；

8、将铌酸锂晶片的端侧与钽酸锂晶片的端侧并列键合连接，以及对键合连接后的晶片进行离子注入处理，得到注入片，注入片包括依次叠加的余质层、注入层和功能薄膜层；

9、将注入片的工艺面与支撑基板的工艺面键合连接，形成键合体，以及对键合体进行退火处理，使余质层与功能薄膜层分离。

10、可选的，本申请提供的一种非线性光学晶体薄膜的制备方法还包括：设置铌酸锂薄膜和钽酸锂薄膜的极化周期；在功能薄膜层的上表面设置周期金属电极；按照极化周期，利用周期金属电极外加的电场对非线性光学晶体薄膜进行周期极化。

11、可选的，本申请提供的一种非线性光学晶体薄膜的制备方法还包括：在非线性光学晶体薄膜的上表面条形涂抹阻隔胶，以生成阻隔层，阻隔层间隔分布在非线性光学晶体薄膜的上表面；基于预设的波导结构模型，在非线性光学晶体薄膜上刻蚀波导，其中，未被阻隔层覆盖的部分被刻蚀掉预设深度，形成脊型波导结构。

12、可选的，对键合连接后的晶片进行离子注入处理，其中，离子包括氦离子、氢离子、氮离子、氧离子和氩离子中的一种或多种组合，离子注入的注入剂量范围为1×1016ions/cm2至4×1016ions/cm2。

13、可选的，对键合体进行退火处理的过程包括：第一退火处理和第二退火处理，其中，第一退火处理的温度范围为180℃至300℃，以使注入层中的离子受热后气化膨胀，将余质层剥离；第二退火处理的温度范围为300℃至600℃，以减少离子注入时对铌酸锂晶片和钽酸锂晶片的损伤。

14、由以上技术方案可知，本申请提供一种非线性光学晶体薄膜及其制备方法，非线性光学晶体薄膜具体包括：依次层叠设置的衬底层、隔离层和功能薄膜层，其中，功能薄膜层包括并列键合连接的铌酸锂薄膜和钽酸锂薄膜。本申请提供的技术方案将铌酸锂晶片与钽酸锂晶片并列键合，使得倍频过程与和频过程集成在同一芯片上，结合铌酸锂晶体的高非线性光学特征与钽酸锂晶体的短紫外吸收边的优势，提高光的非线性转化效率，减小倍频晶体与和频晶体级联的体积。利用非线性光学晶体薄膜的周期极化波导结构，能够补偿由于材料色散造成的光波间的相位失配，并将光束严格束缚在波导内部传播，进而提高转化效率。

技术特征：

1.一种非线性光学晶体薄膜，其特征在于，包括：衬底层、隔离层和功能薄膜层；

2.根据权利要求1所述的非线性光学晶体薄膜，其特征在于，所述非线性光学晶体薄膜为周期极化薄膜结构。

3.根据权利要求1或2所述的非线性光学晶体薄膜，其特征在于，所述非线性光学晶体薄膜为波导型薄膜结构，所述波导型薄膜结构包括脊型波导薄膜结构。

4.根据权利要求1所述的非线性光学晶体薄膜，其特征在于，所述衬底层包括单晶硅，所述隔离层的折射率低于所述功能薄膜层的折射率，所述隔离层包括二氧化硅、氮化硅、氧化铝和氮化铝中的一种或多种组合。

5.一种非线性光学晶体薄膜的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1-4中任一项所述的非线性光学晶体薄膜，所述方法包括：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述对键合连接后的晶片进行离子注入处理，其中，所述离子包括氦离子、氢离子、氮离子、氧离子和氩离子中的一种或多种组合，所述离子注入的注入剂量范围为1×1016ions/cm2至4×1016ions/cm2。

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述对键合体进行退火处理的过程包括：第一退火处理和第二退火处理，

技术总结本申请提供一种非线性光学晶体薄膜及其制备方法，非线性光学晶体薄膜具体包括：依次层叠设置的衬底层、隔离层和功能薄膜层；其中，功能薄膜层包括并列键合连接的铌酸锂薄膜和钽酸锂薄膜。本申请提供的技术方案将铌酸锂薄膜与钽酸锂薄膜并列键合，使得倍频过程与和频过程集成在同一芯片上，结合铌酸锂晶体的高非线性光学特征与钽酸锂晶体的短紫外吸收边的优势，提高光的非线性转化效率，减小倍频晶体与和频晶体级联的体积。利用非线性光学晶体薄膜的周期极化波导结构，能够补偿由于材料色散造成的光波间的相位失配，并将光束严格束缚在波导内部传播，进而提高转化效率。技术研发人员：梁龙跃,胡文,刘亚明受保护的技术使用者：济南晶正电子科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/2