[发明专利]一种HfO2基铁电材料的使用方法

说明书

本发明属于半导体器件及非线性光学应用领域，特别涉及一种HfO₂基铁电材料的使用方法。本发明将用于半导体存储行业的HfO₂基铁电材料作为非线性光学材料应用于非线性光学元器件，利用铁电材料具有自发极化特性，并且自发极化可随外电场进行反转并在断电时仍可保持的先天非线性光学性能。还利用所设计的器件金属结构将电场局域在铁电HfO₂层，从而得到更强的二次谐波激发，具有优异的CMOS兼容性和突出的可小型化能力，在更广的温度范围内具有更高的稳定性。可应用于电光开光、激光调频、传感检测等领域。对发展具有半导体兼容性且可小型化的光学元器件具有重要的意义。

技术领域

本发明属于半导体器件及非线性光学应用领域，特别涉及一种HfO₂基铁电材料的使用方法。

背景技术

非线性光学元器件广泛应用于光通信和集成光学等领域,例如利用各种非线性晶体做成电光开关和实现激光的调制，利用二次及三次谐波的产生、二阶及三阶光学的和频与差频实现激光频率的转换，获得短至紫外、真空紫外，长至远红外的各种激光；同时，可通过实现红外频率的上转换来克服在红外接收方面的困难。随着人们对于器件集成度要求的不断提高，寻找一种具有半导体兼容性、可小型化、低功耗的非线性光学材料变得尤为重要。

尽管已知的具有非线性性能的材料众多，但是金属氧化物更受到工业界的青睐，传统的常用的非线性晶体材料有铌酸锂(LiNbO₃)，钛酸钡(BTO)和磷酸二氢钾(KDP)。但这类传统材料的半导体兼容性能力不佳，功耗较大，并且不具备良好的小型化能力。因此业内人士一直致力于寻找新的非线性光学材料以提升其这些方面的性能，满足生产发展的需求。

自2011年T.Mikolajick等首次发现掺杂的HfO₂薄膜具有铁电性能以来，HfO₂基铁电材料因制备工艺与CMOS完全兼容、可小型化的特点而被广泛应用于半导体存储行业，并被业内追捧。但是对于这种材料在非线性光学领域的应用却未见报道。

发明内容

针对上述存在的问题或不足，为解决现有非线性光学材料半导体兼容性能力不佳、功耗较大和小型化能力不足的问题，本发明提供了一种HfO₂基铁电材料的使用方法。

一种HfO₂基铁电材料的使用方法：将HfO₂基铁电材料作为非线性光学材料应用于非线性光学元器件制备。

进一步的，所述HfO₂基铁电材料为锆、铝、硅、钇或多元掺杂的HfO₂基铁电材料体系。

进一步的，所述HfO₂基铁电材料作为非线性光学材料使用时，利用所设计的器件金属结构、介质结构或光波导结构将电场局域在铁电HfO₂层。

进一步的，所述非线性光学元器件为二阶非线性光学和电光效应领域内的非线性光波导器件，非线性光子晶体器件，非线性表面等离子激元器件，非线性超构材料，非线性超构表面和非线性全介质谐振结构。

HfO₂基铁电材料非线性光学元器件的制备方法如下：

步骤1、在TiN薄膜基底上生长非晶掺杂的HfO₂薄膜；

步骤2、在步骤1得到的HfO₂薄膜上生长TiN顶电极并进行快速退火处理，得到多晶掺杂的HfO₂铁电薄膜；

步骤3、将步骤2制得的多晶掺杂的HfO₂铁电薄膜置于双氧水中，刻蚀除去顶层的TiN；

步骤4、利用Comsol电脑仿真软件根据需要产生的二次谐波波段设计出相应的光学结构尺寸。