专利名称：铁电光学超晶格集成单电极控制极化的制备方法
技术领域：
本发明涉及将现代集成电路工艺引入到铁电光学超晶格的电场极化制备方法，从而实现对每个畴极化反转的单独控制。
背景技术：
光学超晶格是通过对铁电晶体(如铌酸锂，钽酸锂，KTP等)的二阶非线性极化系数的人工调制实现的。这种调制可用来满足非线性光学过程中相位匹配的要求，使得非线性效应大大增强。制作工艺经过了十几年的发展，如今在许多方面已得到广泛的应用，例如可见光波段的全固态激光器[1、X.P.Hu，X.Wang，J.L.He，Y.X.Fan，S.N.Zhu，H.T.Wang，Y.Y.Zu，and N.B.Ming，Appl.Phys.Lett.，85，188(2004).2、M.Katz，R.K.Route，D.S.Hum，K.R.Parameswaran，G.D.Miller，and M.M.Fejer，Opt.Lett.，29，1775(2004).3、A.G.Getman，S.V.Popov，andJ.R.Taylor，Appl.Phys.Lett.，85，3026(2004).]，可调谐光参量振荡器(OPO)，三基色光源等；并在光通信以及军事方面有广阔的应用前景。2003年全世界的光学超晶格的销售额已经达到500~600万美元。然而，对于某些优秀的铁电材料的极化工艺上仍然存在困难，成品率非常底，仍处在实验室研究阶段。即使极化工艺比较成熟的材料，离工业化以及大规模产业化仍有相当大的距离。光学超晶格的通常采用脉冲电场极化的方法制备[S.N.Zhu，Y.Y.Zhu，Z.Y.Zhang，H.Shu，H.F.Wang，J.F.Hong，C.Z.Ge，and N.B.Ming，J.Appl.Phys.77，5481(1995)]，样品需要先经过单畴化，Z切，厚度为一般为毫米量级，经过标准工艺抛光、清洗后，在±C面镀上具有所需图案的金属电极，然后施加一定的脉冲电压，使正负电极之间的铁电畴反转。然而由于晶体和极化时电场分布的不均匀，畴的反转有先后，反转量也不均匀，导致每个周期内的占空比不一致，甚至极化失败。这是当前光学超晶格制作上存在的主要问题。
要想彻底解决上述问题，最理想的方法是对单个电极进行分别控制，而这在传统工艺里是非常困难的。因为光学超晶格的周期为微米量级，制作总长为厘米尺度的超晶格，畴的数目近万个，我们不可能对每个畴单独引线进而单独控制极化。因此截止目前还未见有效的方法可以实现对每个畴极化反转的单独控制。
发明介绍本发明的目的是解决上面所提到的问题，提出一种将集成电路工艺引入到铁电光学超晶格的电场极化制备方法，实现对每个微米尺度的电极的单独控制，使得每个电极对应的畴的反转量相等，彻底解决极化不均匀的难题。同时使得光学超晶格向大规模产业化前进。本发明目的还于提出一种降低制作成本，提高铁电光学超晶格的电场极化成品率的方法。
本发明的技术解决方案铁电光学超晶格集成单电极控制极化的制备方法，极化时通过外加脉冲电场使铁电畴反转，需要两面电极，+C面用于提供极化电压，-C面接地。其中至少有一面电极有图案，这面电极采用半导体材料制作，并与集成控制电路一起集成在晶体的任意一表面；集成控制电路的基本单元由电极及其控制电路构成，所有控制电路都由外接低压电源驱动；实现每个电极单独控制，用于极化制备光学超晶格。
本发明采用铁电光学超晶格集成单电极控制极化的制备方法，实现每个电极单独控制，用于极化制备光学超晶格。极化时通过外加脉冲电场使铁电畴反转，样品上需要制作两面电极，+C面用于提供极化电压，-C面接地。其中至少有一面电极有图案，这面电极采用半导体材料制作，并与集成控制电路一起组成一个集成电路芯片；集成电路的基本单元由电极及其控制电路构成，所有控制电路都由外接低压电源驱动。铁电晶体在极化前后某些参数会发生变化，这些变化反应了畴反转的情况，因而可以作为极化反转是否达到要求的判据。在极化过程中，控制电路对这些参数进行实时检测，一旦所需要的畴反转过程完成，就将该电极与极化电源切断，实现了电极的单独控制。
一般在极化之前的晶体至少需要三根引出线，分别对应高压脉冲VP，驱动电压VCC和地。单个电极的极化电流为μA量级，亦可设有一根细引线构成保险丝。
根据检测参数的不同，集成单电极控制极化的方法有不同的实现方法。这些方法的共同特征是极化之前的晶体至少需要三根引出线，分别对应高压脉冲VP，驱动电压VCC和地。晶体上电极图案与预期的超晶格极化结构相同。单个电极的极化电流一般为μA量级，设有开关电路对其控制。
这些方法包括电量控制，铁电晶体极化过程实质上是电源输送电荷到样品表面以中和原有屏蔽电荷并为反向极化的建立提供屏蔽电荷。每个电极提供的电荷总量反应了与之相对应的铁电畴反转面积的多少。因此，我们可以根据每个周期内所需占空比的大小算出极化电荷量，并据此进行控制。
极化电流积累的电量通过一个积分电路转换为电压信号，当到电压信号超过参考电压VREF时，电压比较器输出高电平，通过开关控制或保险丝过流熔断，将该路电极从极化电源上断开。铁电体的极化取向反转所须电量可由下式计算Q＝2PsA 其中，Ps是自发极化，对于钽酸锂Ps＝0.50C/m2，A是畴反转区的面积。
极化电流积累的电量通过一个积分电路转换为电压信号，当到电压信号超过参考电压VREF时，电压比较器输出高电平，通过开关控制，将该路电极从极化电源上断开。铁电体的极化取向反转所须电量可由下式计算Q＝2PsA(1)其中，Ps是自发极化，A是畴反转区的面积。
1.也可采用电导率控制方案进行极化近期出现的一些非线性系数大，抗损伤阈值高的非线性晶体(如掺镁铌酸锂)极化前后电导率会发生数量级上的变化[K.Mizuuchi，A.Morikawa，T.Sugita，and K.Yamamoto J.Appl.Phys.96，6585(2004)]，因此可以通过检测电导率变化来控制极化过程。由于掺镁铌酸锂等晶体漏电流大，采用电量控制容易产生反转量不足或过量，而电导率的变化可以直接反应畴反转面积的多少，因此电导率控制方案有利于实现对这类晶体的反转量的精确控制。通过检测电导率变化来控制极化过程；在极化过程中，控制电路实时检测晶体电导率的变化，一旦电导率大于一定值，取样电阻R上的电压降超过参考电压VREF，使开关控制电路动作将该路电极断开。
还可以用热释电效应控制方案进行极化由于温度的变化，铁电晶体会出现结构上正负电荷中心的相对位移，晶体的自发极化强度则发生变化，从而在它们的±C面会多于出异号的吸附电荷，连接±C面后会有电荷的定向移动。这种现象称为热释电效应。由于极化后晶体的极化取向发生变化，那么吸附电荷的流动方向就改变了。所以热释电效应可以成为判断畴是否反转的另一种方法。
极化方法采用热释电效应控制方案进行极化极化时，晶体需先被预加热到一定温度，然后自然降温以便产生热释电效应；控制电路通过一个取样电极实时检测晶体上下表面的电位差，一旦取样电极附近的畴反转，该电位差反向，使开关控制电路动作将该路电极断开。
极化方法采用热释电效应控制方案进行极化集成控制电路的基本单元包括极化电极、紧邻极化电极的检测电极和电压比较器；极化时，晶体需先被预加热到一定温度，然后自然降温以便产生热释电效应，极化脉冲VP和VCC依次加在所需极化的晶体上，电压比较器的输出连接高耐压开关管Q相连；在每个极化脉冲停止后导通，检测电极附近的畴反转，电压比较器输出高电平。
本发明首次提出用半导体集成电路工艺方法实现每个电极单独控制，用于极化制备光学超晶格的新方法，具有以下意义1、通过每个电极单独控制确保光学超晶格极化均匀，避免发生局部由于成核先后引起的畴合并或者极化不足现象。提高了极化的质量，使一些传统方法难以极化的材料或结构的极化成为可能。
2、电极及其控制电路采用半导体集成电路工艺制作，使每个畴的一致性由集成电路的内部器件的高度一致性保证，极化的成品率高。
3、极化前工艺与半导体集成电路工艺完全兼容，大规模生产后可以大大降低的光学超晶格制备的成本，推动其产业化进程。
图1集成单电极控制极化法示意2电量控制方案原理3非电量控制单电极极化电压波形极化电压被分成许多短脉冲，使VP和VCC可以在时域上完全分开图4电导率控制方案原理5热释电效应控制方案原理图
具体实施例方式
用于实现铁电光学超晶格集成单电极控制极化法的集成电路可做在晶体的任意一面，以做在-C面为例，单电极控制极化法的原理图如图1所示。
1、整个集成电路由许多如图中虚线框内所示的的基本单元组成。每个基本单元包括电极及其控制电路，控制电路的功能是对控制参数进行检测并据此对电极与地的连接用一个开关电路进行控制。开关电路的具体的实现方式可以采用晶体管，但是由于开关管的耐压和密度要求较高，对集成电路内绝缘有比较高的要求；为了避免高耐压开关管的集成问题，也以采用保险丝进行控制。具体方法是当极化完成后控制电路内产生一个较大的电流，保险丝过流烧毁使极化终止。单个电极的极化电流为μA量级，可以用一根细引线构成保险丝。此方法需要控制电路可以输出比极化电流大一个量级以上的电流，以现有放大电路的水平是不难实现的。所有控制电路都由一个外接低压电源驱动。因此集成电路部分至少需要两根引出线，分别对应驱动电压VCC和地。
极化控制方案的不同体现在每个基本单元内部构造的不同，下面对几种方案的基本单元的原理进行介绍。
电量控制方案，如图2所述，基本单元内的控制电路包括积分电路、电压比较器、开关电路三大主要部分。极化电流的通过一个积分电路，极化电量转换为电压信号输出到电压比较器，当到电压信号超过参考电压VREF时，电压比较器输出高电平，使开关电路断开将电极与地断开。对一个比较典型的周期光学超晶格，电极区域为长15mm，宽5mm，占空比为50％，如果采用钽酸锂(Ps＝0.50C/m2)制作，由(1)式可以算出极化完成共需要电量为37.5μC。如果周期总数为1000个，每个电极通过的总电量为37.5nC，因此积分电路的电容只需要nF量级，在集成电路内是完全可以实现的。以铌酸锂，KTP为对象进行极化时采用同样的方法，只是电量要按(1)式重新计算。
2、非电量控制方案电量控制单电极极化法原理简单，与传统方法有相似之处，较容易实现。但是在实际极化过程中，由于某些因素影响，电量和实际反转量(也就是占空比)有时并不能完全对应；而利用下面几种方法可以直接对晶体的占空比进行实时检测，并且由于不需要测量电量，可以避免在集成电路内部制作电容的困难。同时，施加高压脉冲时可以切断对控制电路的供电，以避免高压脉冲对控制电路的干扰，如图3所示。
(1)电导率控制方案如图4所示，图4中显示的是采用电导率控制方案的一个基本单元，包括电极、电压比较器和开关电路三个主要部分。VP和VCC按图3所示的顺序依次加在所需极化的晶体上，每一个极化脉冲过后，控制电路检测晶体电导率的变化，电导率大于预设值，电阻R上的电压降超过参考电压VREF，电压比较器输出高电平，使开关电路关断。一般用于掺杂的材料，如KTP等，选择电导率是原电导率十倍时使开关电路关断。
(2)热释电效应控制方案如图5所示，图5显示的是采用热释电效应控制方案的一个基本单元，包括极化电极、紧邻极化电极的检测电极、电压比较器和开关电路四个主要部分。极化时，晶体需先被预加热到一定温度(在室温以上20-50度)，然后自然降温以便产生热释电效应，VP和VCC按图3所示的顺序依次加在所需极化的晶体上。所有基本单元的电压比较器的1输入端并联通过引线引出，和一个外置的高耐压开关管Q相连。Q在每个极化脉冲停止后导通，将1输入端与晶体+C面相连。由于热释电效应，畴未反转时，电压比较器1端低于2端电压，电压比较器输出低电平，开关电路导通；一旦检测电极附近的畴反转，电压比较器1端高于2端电压，电压比较器输出高电平使开关电路关断。
热释电效应控制方案和电导率控制方案相比，都可以对晶体的极化取向进行直接检测，但对于极化前后电导率没有明显变化的晶体也可以采用。
以上所有方案的基本单元结构简单，所需元件少，且每个样品上集成单元数量仅为几千个每平方厘米，远远低于现代集成电路工艺的极限水平，是完全可行的。
权利要求
1.铁电光学超晶格集成单电极控制极化的制备方法，其特征是极化时通过外加脉冲电场使铁电畴反转，需要两面电极，+C面用于提供极化电压，-C面接地。其中至少有一面电极有图案，这面电极采用半导体材料制作，并与集成控制电路一起集成在晶体的任意一表面；集成控制电路的基本单元由电极及其控制电路构成，所有控制电路都由外接低压电源驱动；实现每个电极单独控制，用于极化制备光学超晶格。
2.根据权利要求1所述的铁电光学超晶格集成单电极控制极化的制备方法，其特征是晶体上电极图案与预期的超晶格极化结构相同。
3.根据权利要求1所述的铁电光学超晶格集成单电极控制极化的制备方法，其特征是极化之前的晶体至少需要三根引出线，分别对应高压脉冲VP，驱动电压VCC和地。
4.根据权利要求1所述的铁电光学超晶格集成单电极控制极化的制备方法，其特征是在集成电路内部用一根细引线构成保险丝，通过其熔断与否实现对高压极化脉冲的开关控制。
5.根据权利要求1所述的铁电光学超晶格集成单电极控制极化的制备方法，其特征是极化脉冲VP和集成电路驱动电压VCC依次加在所需极化的晶体上。
6.根据权利要求1所述的铁电光学超晶格集成单电极控制极化的制备方法，其特征是极化方法利用控制通过单电极的电量进行控制集成控制电路的基本单元包括包括积分电路、电压比较器、开关电路三大主要部分。极化电流积累的电量通过积分电路转换为电压信号，当到电压信号超过参考电压VREF时，电压比较器输出高电平，通过开关电路控制，将该路电极从极化电源上断开。
7.根据权利要求6所述的铁电光学超晶格集成单电极控制极化的制备方法，其特征是单个铁电畴的极化取向反转所须电量由下式计算Q＝2PsA其中，Ps自发极化，对于钽酸锂Ps＝0.50C/m2，C为电量，A是该畴的面积。
8.根据权利要求1所述的铁电光学超晶格集成单电极控制极化的制备方法，其特征是电导率控制方案进行极化集成控制电路的基本单元包括电极、电压比较器和开关电路三个主要部分；极化脉冲VP和VCC顺序依次加在所需极化的晶体上，每一个极化脉冲过后，控制电路检测晶体电导率的变化；电导率大于设定值，电阻R上的电压降超过参考电压VREF，电压比较器输出高电平，通过开关电路控制电极从极化电源上断开。
9.根据权利要求1所述的铁电光学超晶格集成单电极控制极化的制备方法，其特征是极化方法采用热释电效应控制方案进行极化集成控制电路的基本单元包括极化电极、紧邻极化电极的检测电极和电压比较器；极化时，晶体先被预加热到一定温度，然后自然降温以便产生热释电效应，极化脉冲VP和VCC依次加在所需极化的晶体上，电压比较器的输出连接高耐压开关管Q相连；在每个极化脉冲停止后导通，检测电极附近的畴反转，电压比较器输出高电平，通过开关电路控制电极从极化电源上断开。
全文摘要
铁电光学超晶格集成单电极控制极化的制备方法，极化时通过外加脉冲电场使铁电畴反转，需要两面电极，+C面用于提供极化电压，－C面接地。其中至少有一面电极有图案，这面电极采用半导体材料制作，并与集成控制电路一起集成在晶体的任意一表面；集成控制电路的基本单元由电极及其控制电路构成，所有控制电路都由外接低压电源驱动；实现每个电极单独控制，用于极化制备光学超晶格。晶体上电极图案与预期的的超晶格极化结构相同。通过每个电极单独控制确保光学超晶格极化均匀，避免发生局部由于成核先后引起的畴合并或者极化不足现象。提高了极化的质量，使一些传统方法难以极化的材料或结构的极化成为可能。
文档编号G02B1/00GK1971839SQ20061009678
公开日2007年5月30日 申请日期2006年10月16日 优先权日2006年10月16日
发明者谢臻达, 徐平, 祝世宁, 赵刚, 王雯 申请人:南京大学