为了研究钝化层对声表面波(SAW)滤波器性能的影响, 以二氧化硅(SiO2)薄膜为钝化层, 对厚度为12~80 nm 的SiO2膜钝化层工艺数据进行分析。结果表明,当SiO2膜钝化层覆膜厚度大于25 nm时其膜层质量均匀性好,致密度高。同时SiO2膜钝化层厚度对膜层间的粘性、传播损耗、自身的质量负载及谐振峰处的频率均有影响, 且会引起过渡带宽发生变化。

二氧化硅(SiO2)是光学系统中最常用光学薄膜材料之一, 其微观结构、缺陷等信息对于研究和提高薄膜的性能具有重要作用。本文通过电子束蒸发、离子辅助、磁控溅射方法制备 SiO2薄膜并进行测试, 计算出其吸收边光谱, 对吸收边光谱的强吸收区、e指数区、弱吸收区进行分段分析得到 SiO2薄膜的带隙宽度、带尾能量和氧空位缺陷含量数据。进一步分析三种薄膜和其在常规退火温度下的带隙宽度、带尾能量和氧空位缺陷含量的数据, 获得 SiO2薄膜的微观原子排列结构、微观缺陷信息, 并对不同镀膜技术和不同退火温度下 SiO2薄膜的原子排列结构、微观缺陷的差异和变化进行了分析和讨论。

光学薄膜的力学及热力学特性决定了光学系统性能的优劣。采用双离子束溅射的方法在硅<110>和肖特石英Q1基底上制备了SiO2薄膜, 并对制备的膜层进行退火处理。系统研究了热处理前后SiO2薄膜的力学及热力学特性。研究结果表明, 750 ℃退火条件下SiO2薄膜的弹性模量(Er)增加到72 GPa, 膜层硬度增加到10 GPa。镀完后未经退火处理的SiO2薄膜表现为压应力, 但是应力值在退火温度达到450 ℃以上时急剧降低, 说明热处理有助于改善SiO2薄膜内应力。经退火处理的SiO2薄膜泊松比(vf)为0.18左右。退火前后SiO2薄膜的杨氏模量(Ef)都要比石英块体材料大, 并且750 ℃退火膜层杨氏模量增加了50 GPa以上。550 ℃退火的SiO2薄膜热膨胀系数(αf)从6.78×10-7 ℃-1降到最小值5.22×10-7 ℃-1。

为了实现在GaSb衬底上获得低应力的SiO2薄膜, 研究了等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在晶格失配较大的GaSb衬底上沉积SiO2薄膜的应力情况。通过改变薄膜沉积时的工艺条件, 如反应温度、射频功率、反应压强、气体流量比, 并基于曲率法模型, 对镀膜前后的曲率半径进行了实验测量, 利用Stoney公式计算相关应力值并绘制应力变化曲线。详细讨论了PECVD工艺条件的改变对SiO2薄膜应力所产生的影响。同时通过在Si衬底上沉积SiO2薄膜, 对比分析了导致薄膜应力产生的因素及变化过程。实验结果表明, 在沉积温度为300 ℃、射频功率为20 W、腔体压强为90 Pa、气体流量比SiH4/N2O为125/70 cm3·min-1的工艺参数下, PECVD法在GaSb衬底上沉积的SiO2薄膜应力相对较小。

设计了一种新型的在线光纤法布里-珀罗(F-P)压力传感器。该传感器的F-P腔为微椭球空气腔, 由光纤熔接机以特定的熔接参数熔接单模光纤和实芯光子晶体光纤而成。该传感器基于F-P干涉原理测量压力, 全石英结构, 制作工艺简单, 温度串扰小。分析了封闭的椭球形空气F-P腔中短轴直径(腔长)与长轴半径(敏感膜有效半径)的关系；利用高斯光束传输理论分析了空气F-P腔形状与腔内损耗的关系。分析了SiO2敏感膜受压后中心挠度与膜厚、有效半径的关系。建立了SiO2膜的压力敏感特性模型, 在施加均布载荷条件下对模型的挠度形变特性进行了数值解析和有限元仿真。仿真了传感器F-P干涉条纹波谷波长与压力的关系, 为设计制作光纤微压传感器提供了理论依据。

采用射频磁控溅射技术制备了Ge掺二氧化硅(Ge-SiO2)和Ge, Al共掺二氧化硅(Ge/Al-SiO2)两种复合薄膜, 并进行了热退火处理形成了纳米Ge镶嵌结构。通过紫外-可见吸收谱测量, 确定了两种薄膜中纳米Ge的光学带隙, 并采用皮秒激光Z-扫描技术研究了薄膜的非线性光学性质。测试结果显示, 在1 064 nm激发下得到的Ge-SiO2和Ge/Al-SiO2薄膜的非线性吸收系数分别为-1.23×10-7 m/V和4.35×10-8 m/W, 前者为饱和吸收, 而后者为双光子吸收。把两种薄膜作为可饱和吸收体均可实现1.06 μm激光的被动调Q和被动锁模运转。与Ge-SiO2薄膜比较, 采用Ge/Al-SiO2薄膜可以获得较窄的调Q脉冲和锁模脉冲。最后, 理论分析和实验比较了两种薄膜实现被动调Q和锁模的机理。

采用射频磁控溅射技术与热退火处理制备了纳米锗镶嵌二氧化硅(nc-Ge／SiO2)复合薄膜。对薄膜的光吸收谱进行分析,得到了纳米Ge晶粒的光学带隙。单光束Z-扫描的实验结果表明薄膜具有较强的可饱和吸收特性。将薄膜作为可饱和吸收体插入LD端面抽运的Nd:YVO4激光器内,分别实现 1 342 nm和1 064 nm激光的被动调Q,得到脉宽分别为29 ns和22 ns的脉冲序列。理论分析认为,纳米Ge晶粒形成的界面态和缺陷态对1 342 nm激光产生的饱和吸收作用,是导致被动调Q的主要原因。

采用银氨溶液与二氧化硅溶液混合的方法制备银/二氧化硅(Ag/SiO2)薄膜材料, 并利用扫描电镜(SEM)、 X射线衍射(XRD)以及紫外—可见吸收光谱进行了表征。 研究了Ag/SiO2薄膜对硝酸钠水溶液的红外吸收光谱特性的影响。 结果表明硝酸根的反对称振动吸收峰随着硝酸钠的浓度提高而变化, 这可能与Ag/SiO2薄膜材料的表面等离子体增强效应和有效表面积增大效应有关。

在高功率垂直腔面发射激光器制作工艺中，生长出低应力、高质量、高稳定性的SiO2介质层非常关键。我们使用高效率LaB6离子源辅助，在低放电电流条件下，在GaAs衬底上沉积了SiO2，并对退火的应力影响进行了测试。在有离子辅助沉积时，对不同生长速率、不同厚度的应力影响进行了研究，对沉积过程进行了分析。结果表明: 离子辅助沉积的SiO2薄膜的应力远小于常规工艺条件下沉积的薄膜的应力，且退火后应力变化小。