[发明专利]ZnO基复合结构倍频材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种ZnO基复合结构倍频材料，属于半导体材料及非线性光学材料领域。

背景技术

目前，半导体薄膜材料、有机材料等在非线性光学领域的应用研究倍受关注。其中，半导体薄膜材料在材料制备、结构设计及集成方面具有先天的优势，尤其受到重视。

光学非线性倍频晶体是辐射倍频光波的媒介，所以非线性晶体本身的特性直接影响着激光倍频效率的高低。良好的非线性倍频晶体应具有如下特征：

1.对基频光、倍频光波段透明，损伤阈值高。

2.存在满足基频光、倍频光相位匹配条件的通光方向。

3.折射率随温度等外界因素改变的变化率小。

4.对基频光的角度接收带宽较大，光波能流方向与波矢走离角较小。

ZnO是一种直接带隙的宽禁带半导体，室温下的禁带宽度为3.37eV，其在光电子器件领域具有广阔的应用前景。近几年ZnO的非线性性质也受到了人们的关注。由于其晶格排列缺乏反演对称性，ZnO表现出强烈的极化效应，具有较强的非线性系数[相对非线性光学系数d₃₃(ZnO)/d₃₆(KDP)＝-14.3(λ＝1060nm)]。而且与传统非线性晶体相比，ZnO的透光波段宽(0.4-2μm，包括紫外、可见、红外波段，通过和频或差频，产生的波长可以到红外和紫外)，透射率高，抗损伤，性能稳定(熔点为2300K)。因此ZnO材料是一种很有前景的新型非线性材料，对其非线性光学性质的研究有重要价值。

目前研究人员对ZnO薄膜材料的二次谐波，三次谐波，非线性吸收等进行了测定分析。ZnO作为新型非线性光学材料的两个关键问题尚未解决。(1)如何进一步提高其非线性光学系数。(2)如何解决相位匹配。

因此，通过结构设计有效的解决非线性光学系数提高及相位匹配问题的方案具有重要意义，到目前为止，ZnO基复合结构的薄膜倍频材料未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种有效提高ZnO材料非线性系数，解决相位匹配问题的结构，以满足制备ZnO基倍频材料实用化的需求。

本发明的实现过程包括以下步骤：

(1)设计MgZnO/ZnO量子阱结构，控制垒层中Mg的含量，调节量子阱中各层应力，提高样品的非线性光学系数。通过理论计算设计并制备量子阱结构(如非对称阶梯量子阱)，确定合适的阶梯高度(组分比)、阱宽、阶梯宽等参数，进一步提高样品的非线性光学系数。

(2)通过相干长度的计算，设计并制备ZnO基异质结结构(ZnO/SiO₂)，测试不同结构的非线性系数获得准相位匹配样品。

(3)进行复合结构材料的生长，获得高质量结构，进行非线性系数，倍频转换效率的测定分析。

本发明优点是：可以有效的利用结构设计解决ZnO基倍频材料实用化必须解决的线性系数提高、相位匹配的问题；结构设计明确，生长工艺简单。

具体实施方式

实施例一：

1、以高纯Zn、Mg为固态源，高纯氧气为氧源，利用分子束外延(MBE)技术，在蓝宝石衬底上生长ZnO缓冲层，后生长MgZnO/ZnO量子阱。

2、以Si为固态源，高纯氧气为氧源，利用分子束外延(MBE)技术，在量子阱上生长SiO₂，构成异质结。

3、生长多个周期MgZnO/ZnO量子阱，与SiO₂构成的异质结，获得薄膜倍频材料。

配制先驱体水溶液。其中以硝酸锌为锌源，以六次甲基四胺作为表面活性剂，硝酸锌与六次甲基四胺物质的量相等。

实施例二：

1、以高纯Zn、Mg为固态源，高纯氧气为氧源，利用分子束外延(MBE)技术，在GaAs衬底上生长ZnO缓冲层，后生长MgZnO/ZnO量子阱。

2、以Si为固态源，高纯氧气为氧源，利用分子束外延(MBE)技术，在量子阱上生长SiO₂，构成异质结。

3、生长多个周期MgZnO/ZnO量子阱，与SiO₂构成的异质结，获得薄膜倍频材料。配制先驱体水溶液。其中以硝酸锌为锌源，以六次甲基四胺作为表面活性剂，硝酸锌与六次甲基四胺物质的量相等。

实施例三：

1、利用脉冲激光沉积(PLD)技术，以高纯ZnO，MgZnO为靶材，在氧气气氛下，在GaAs衬底上生长ZnO缓冲层，后生长MgZnO/ZnO量子阱。