Кристаллы квантовой и нелинейной оптики - Блистанов А.А.
ISBN 5-87623-065--0
Скачать (прямая ссылка):
III. Изменение состава. Имплантируемые частицы, заторможен-
ные образованием атомных дефектов, остаются в приповерхностных слоях матрицы, тем самым меняя ее состав. Каждая частица с энергией порядка нескольких МэВ рождает до 102...103 атомных дефектов (межузельных ионов и вакансий). Поэтому концентрация собственных дефектов в матрице оказывается на порядки большей, чем концентрация имплантированных примесей, и влиянием изменения состава матрицы из-за имплантации ионов на изменение рефракции обычно можно пренебречь. Есть примеры того, что возникающие при имплантации изменения состава значительно меняют рефракцию. В частности, имплантация азота в кварц приводит к образованию ок-синитридов кремния, повышающих коэффициент преломления поверхностного слоя на несколько (до 5) процентов; необходимые для этого дозы достаточно велики (до 10п ионов/см2). Возникающие при этом центры окраски легко отжигаются нагревом до 450 °С, так что имплантацией азота в кварц удается получать волноводы с малыми потерями. Слой, содержащий атомные нарушения, оказывается очень устойчивым к нагреву и сохраняет волноводные свойства до 1100 °С [110]. и* 403
Соотношение вкладов процессов ионизации и образования дефектов атомной структуры в изменение рефрактивных свойств может быть неодинаково в различных кристаллах. Так, в кварце вклад ионизации пренебрежимо мал, тогда как в ниобате лития он соизмерим с вкладом атомных нарушений. Очевидно, что это зависит от прочности химической связи в кристаллах: ионизация кислорода в LiNb03 происходит гораздо легче, чем в Si02 (ширина запрещенной зоны в LiNb03 много меньше, чем в Si02). Роль ионизации может возрастать еще и в тех кристаллах, в которых велика начальная концентрация точечных дефектов, что может быть связано, например, с отклонением состава кристалла от стехиометрии. В этом случае дефекты структуры, возникающие при имплантации, мало влияют на суммарную концентрацию дефектов атомной структуры, тогда как имевшиеся в кристалле дефекты вместе с вновь возникающими могут принимать активное участие в ионизационных процессах, создании электронных и дырочных центров, центров окраски. По-видимому, это одна из причин заметного влияния ионизации на рефрактивные свойства LiNb03. Существенный вклад ионизация вносит в таких кристаллах, как Bi4Ge30i2. По-видимому, значительного влияния ионизации на рефрактивные свойства следует ожидать в щелочно-галоидных кристаллах.
При ионной имплантации глубина и ширина слоя, содержащего атомные нарушения, зависят от энергии и дозы излучения соответственно (глубина повышается с ростом энергии, а ширина - с увеличением дозы). Распределение концентрации дефектов в слое близко к гауссову, однако сростом дозы это распределение может становиться асимметричным, размываясь в сторону внешней поверхности. Это явление связывают с влиянием электрических полей, возникающих в результате ионизации ионов в ближайших к поверхности слоях, на диффузию точечных дефектов [110]. Возможность управлять глубиной нарушенного с помощью энергии имплантируемых ионов слоя позволяет получать с помощью ионной имплантации волноводные структуры, изготовление которых другими методами невозможно. Например, использовав последовательно имплантацию ионов с двумя различными энергиями, можно получить двухслойный волновод.
Для получения активных волноводных слоев (слои, обладающие электро- и акустооптическими и нелинейными свойствами) для видимой области спектра используются диэлектрические кристаллы, рассматривавшиеся в части II. В таких кристаллах и, в частности, в ки-слородно-октаэдрических сегнетоэлектриках ионная бомбардировка приводит к повышению концентрации дефектов решетки, значительному разупорядочению и снижению плотности, в результате чего снижается показатель преломления и. Это снижение (-Ап) происходит в области наиболее интенсивного торможения ионов и образования дефектов решетки, т.е. на глубине нескольких микрон под поверхно-404
стью мишени. В этом случае волноводный слой при ионной имплантации возникает не в результате образования поверхностного слоя с повышенным п, а наоборот, в результате образования слоя с пониженным п на глубине нескольких микронов под поверхностью. Этот слой обеспечивает условия отсечки для волн, распространяющихся в области, находящейся ближе к поверхности (рис. 18.19).
Основным материалом для получения активных волноводов методом ионной имплантации служит ниобат лития, а основным ионом, используемым для имплантации, является гелий [107, 111-113].
Как уже отмечалось, формирование оптического волновода при имплантации ионов Не+ в подложку LiNb03 происходит в результате суперпозиции нескольких процессов. Важнейшими из них являются: ионизация, образование атомных дефектов, миграция дефектов в электрических и упругих полях, возникающих в результате имплантации посторонних и ионизации собственных ионов. В результате имплантации ионов на глубине нескольких микронов под поверхностью подложки возникает слой с пониженным показателем преломления, являющийся оптическим барьером для проникновения света в глубь подложки. Основную роль в формировании барьерного слоя играют возникающие при ионной имплантации атомные нарушения структуры. Для легких ионов типа Не+ и для не слишком высоких доз (D < 1015 см-2) число образующихся при имплантации дефектов Na можно достаточно точно определить, используя модель, в которой рассматривается образование только парных дефектов - внедрений и вакансий [114], а образованием более сложных структурных дефектов можно пренебречь. В этом случае
