一种利用氧空位自缓冲层提高铁电氧化物薄膜电光系数的方法

本发明涉及铁电功能材料领域，具体涉及一种利用氧空位自缓冲层提高铁电氧化物薄膜电光系数的方法。

背景技术：

1、随着人工智能与大数据的发展，传统cmos芯片逼近性能瓶颈，集成光子技术成为“后摩尔时代”的关键路径。铁电氧化物材料（如batio3、pb(zr,ti)o3（pzt）、ktao3等）因其具有较高的线性电光系数而受到广泛关注。以batio3（bto）为例，其体单晶的线性电光系数理论值可达>1500 pm/v，约为铌酸锂的30倍以上，基于此类铁电氧化物薄膜的电光调制器有望同时实现“低半波电压”与“集成化器件”，是突破现有材料局限性的理想候选者。

2、然而，尽管铁电氧化物体单晶表现出优异的电光性能，但当将其制备成薄膜形式并集成到硅或绝缘体上硅（soi）衬底上时，由于受到衬底晶格失配、热失配以及界面缺陷等因素的影响，薄膜实际测得的电光系数远低于体材料的理论值。以batio3（bto）为例，文献研究表明，在lsat衬底上生长的batio3薄膜，由于受到压缩应变，常诱导出面外或混合极化（部分可切换），这与光子器件中所需的面内电极构型不相容。同时，自然应变弛豫虽然有利于面内极化，但往往会降低薄膜的结晶度并增加表面粗糙度，导致有效电光系数降低。此外，现有技术通过位错工程引入周期性应变调制以提升电光系数，但该方法产生的应变状态依赖于位错的自然形成过程，难以独立调控。采用异质缓冲层（如gdsco3、sto等）或转移异质外延技术虽然可在一定程度上改善薄膜质量，但工艺复杂、成本较高，且均匀的面内张应变较难调控。因此，如何通过简便可控的手段在铁电氧化物功能层中建立均匀的面内张应变，从而有效增强面内电光响应，仍是当前集成光子学领域亟待解决的关键问题。

技术实现思路

1、发明目的：本发明目的是提供一种利用氧空位自缓冲层提高铁电氧化物薄膜电光系数的方法，以解决现有技术中铁电氧化物薄膜因受衬底压缩应变导致面外极化、与光子器件面内电极构型不相容，进而电光系数偏低的问题。

2、技术方案：本发明所述的利用氧空位自缓冲层提高铁电氧化物薄膜电光系数的方法包括以下步骤：在生长衬底或其他缓冲层上，于1×10-10-1×10-3 torr氧分压下生长铁电氧化物薄膜，引入一层含有氧空位的自缓冲层；在含有氧空位的自缓冲层上，于1×10-9-1×10-5 torr氧分压、或于1×10-11-1×10-5 torr臭氧分压的混合气下生长不含有氧空位铁电氧化物功能层。

3、优选的，生长衬底或其他缓冲层包括batio3、laalo3-sr2taalo6(lsat)、srtio3(sto)、gdsco3、ktao3、laalo3、dysco3、lanio3、srruo3、pbtio3、lacoo3、mgo、si、ge、gaas、yalo3、mgal2o4、nb:srtio3。

4、优选的，生长温度为300-1100℃。

5、优选的，所述铁电氧化物包括batio3、linbo3、pb(zr,ti)o3、ktiopo4、knbo3、(ba,sr)tio3、(pb,la)(zr,ti)o3、(k,na)nbo3、pb(mg1/3nb2/3)o3-pbtio3、k(ta,nb)o3、pb(lu1/2nb1/2)o3-pb(mg1/3nb2/3)o3-pbtio3、(sr,ba)nb2o6、srtio3、ktiopo4、litao3、lib3o5、(k,na)nbo3。

6、优选的，所述生长衬底或缓冲层为 laalo3-sr2taalo6或srtio3。

7、优选的，所述铁电氧化物材料为 batio3。

8、优选的，所述含有氧空位的自缓冲层与步骤所述不含有氧空位铁电氧化物功能层为相同材质的铁电氧化物。

9、本发明所述的利用氧空位自缓冲层提高铁电氧化物薄膜电光系数的方法制得的铁电氧化物薄膜。

10、本发明所述的铁电氧化物薄膜在新一代集成化电光器件、高速光通信、量子信息处理器件的应用。

11、发明原理：本发明提出一种利用氧空位自缓冲层提高铁电氧化物薄膜电光系数的创新型方法。在生长衬底或其他缓冲层上，先沉积一层富含氧空位的铁电氧化物薄膜作为自缓冲层。利用氧空位诱导的晶格膨胀效应，该自缓冲层的面内晶格常数显著增大。随后，在高氧压条件下于该缓冲层上外延生长铁电氧化物功能层。由于外延生长的约束，功能层的面内晶格常数被自缓冲层所限制，从而维持了与缓冲层一致的大面内晶格尺寸，进而诱导其极化取向由面外转向面内。面内极化状态显著增强了功能层的电光响应，使有效电光系数提升。该方法可有效改善铁电氧化物薄膜的电光性能，为新一代集成化电光器件、高速光通信及量子信息处理器件提供了关键材料解决方案。

12、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

13、1、极化取向主动可控：本发明通过调控缓冲层氧空位浓度，主动控制晶格膨胀程度，可按需实现面内或面外极化；而现有技术多被动依赖衬底应变，极化取向受限于衬底选择。

14、2、增强面内电光响应：本发明利用面内张应变，即将极化诱导至面内，大幅降低极化旋转难度，从而显著提升有效电光系数；而现有技术难以同时满足“面内初始极化”和“低极化旋转势垒”。

15、3、界面匹配性好，工艺简化：本发明采用同源铁电氧化物缓冲层，界面匹配性好，且工艺简单，仅需调控氧分压即可制备；而现有缓冲层多为异质材料。

1.一种利用氧空位自缓冲层提高铁电氧化物薄膜电光系数的方法，其特征在于，包括以下步骤：在生长衬底或缓冲层上，于1×10-10-1×10-3torr氧分压下生长铁电氧化物薄膜，引入一层含有氧空位的自缓冲层；在含有氧空位的自缓冲层上，于1×10-9-1×10-5 torr氧分压、或于1×10-11-1×10-5 torr臭氧分压的混合气下生长不含有氧空位铁电氧化物功能层。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，生长衬底或缓冲层包括batio3、laalo3-sr2taalo6即lsat、srtio3 即sto、gdsco3、ktao3、laalo3、dysco3、lanio3、srruo3、pbtio3、lacoo3、mgo、si、ge、gaas、yalo3、mgal2o4、nb:srtio3中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，生长温度为300-1100℃。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铁电氧化物包括batio3、linbo3、pb(zr,ti)o3、ktiopo4、knbo3、(ba,sr)tio3、(pb,la)(zr,ti)o3、(k,na)nbo3、pb(mg1/3nb2/3)o3-pbtio3、k(ta,nb)o3、pb(lu1/2nb1/2)o3-pb(mg1/3nb2/3)o3-pbtio3、(sr,ba)nb2o6、srtio3、ktiopo4、litao3、lib3o5、(k,na)nbo3中的任意一种。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述生长衬底或缓冲层为 laalo3-sr2taalo6或srtio3。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述铁电氧化物材料为 batio3。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含有氧空位的自缓冲层与步骤所述不含有氧空位铁电氧化物功能层为相同材质的铁电氧化物。

8.一种权利要求1所述方法制得的铁电氧化物薄膜。

9.根据权利要求8所述的铁电氧化物薄膜，其特征在于，所述薄膜比直接生长在衬底或缓冲层上的同类薄膜具有更高的电光系数。

10.一种权利要求8所述的铁电氧化物薄膜在新一代集成化电光器件、高速光通信、量子信息处理器件的应用。