在硅衬底上生长通过结晶光学膜氢化而在红外光谱中可选地具有极小光损耗的结晶光学膜的方法技术

一种能够在硅和其他衬底上生长厚化学计量结晶且优选地IR透明光学PCMO材料的工艺。在无氧惰性气体(例如，Ar)环境中进行溅射沉积，这有助于防止衬底上的PCMO材料分解。在所公开的工艺中，不需要在PCMO沉积之前增加籽晶层。此外，不需要在高温高压氧气炉中进行沉积后退火，但是退火提供了在提高红外波长下透明度方面的某些额外益处。在高温(≤450℃)衬底上PCMO厚膜的较长沉积时间内，通过以高温沉积PCMO材料并在每次沉积循环之后将PCMO沉积衬底冷却到显著更低的温度(＜450℃)的重复循环来进行PCMO沉积。如果在氢气环境中进行退火，这将使得PCMO膜氢化，从而产生在整个IR范围内具有极少光学损耗(即，光学消光系数k＜0.001)的PCMO膜。的PCMO膜。的PCMO膜。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在硅衬底上生长通过结晶光学膜氢化而在红外光谱中可选地具有极小光损耗的结晶光学膜的方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2020年5月20日提交的、名称为“Method to Grow Thick Crystalline Optical Films on Si Substrates(在硅衬底上生长结晶光学厚膜的方法)”的美国临时专利申请No.63/027,849的权益，其公开内容通过引用并入本文。
[0003]本申请还要求2020年5月20日提交的名称为“Method to Grow IR Optical Materials with Extremely Small Optical Loss(生长具有极小光损耗的红外光学材料的方法)”的美国临时专利申请No.63/027,847的权益，其公开内容通过引用并入本文。
[0004]本公开涉及2019年3月7日提交的名称为“Electrically Reconfigurable Optical Apparatus Using Electric Field(采用电场的电可重构光学装置)”的美国专利申请No.16/296,049，其公开内容通过引用并入本文。
[0005]本申请涉及2020年5月20日提交的名称为“Solid State Electrically Variable
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Focal Length Lens(固态电动可变焦距透镜)”的美国临时专利申请No.63/027,838，其公开内容通过引用并入本文。
[0006]本申请还涉及2020年5月20日提交的名称为“Solid State Electrically Variable Optical Wedge(固态电动可变光楔)”的美国临时专利申请No.63/027,841，其公开内容通过引用并入本文。
[0007]本申请还涉及2020年5月20日提交的名称为“Solid State Tip
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Tilt Phased Array(固态倾斜相控阵)”的美国临时专利申请No.63/027,844，其公开内容通过引用并入本文。
[0008]关于联邦政府资助的研发的声明
[0009]本专利技术是依据美国政府合同NRO000
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0102而构思的，因此美国政府可能拥有本专利技术的某些权利。


[0010]本文描述了在硅衬底上生长结晶光学膜：相变关联过渡金属氧化物(Phase
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Change Correlated Transition Metal Oxides,PCMO)的新方法，这些PCMO优选地是红外(IR)透明的。

技术介绍

[0011]在现有技术中，通过(1)锂离子嵌入和(2)Pt(铂)辅助质子嵌入来获得在红外(IR)光谱中具有60％至90％光学透射率的镍酸钐(SmNiO3)(SNO)薄膜(lμm至9μm)。参见Z.Li、Y.Zhou、H.Qi等人的“Correlated Perovskites as a New Platform for Super
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Broadband
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Tunable Photonics(关联钙钛矿作为超宽带可调光子学的新平台)”Advanced Materials，28,9117(2016)，其公开内容通过引用并入本文。
[0012]在硅衬底上生长结晶光学厚膜：相变关联过渡金属氧化物(PCMO)，有可能实现电
场控制的可重构电光器件，这些电场控制的可重构电光器件与传统微型器件制造相兼容，并且对于与基于Si CMOS(硅互补金属氧化物半导体)的控制电子器件的晶片级集成来说是可行的。
[0013]在现有技术中，通过磁控溅射，在SiO2/Si(二氧化硅/硅)衬底上沉积薄膜SmNiO3(SNO)，然后在高压氧气炉中进行大范围的高温退火。现有技术中在Si衬底上沉积SNO仅限于薄膜，沉积的薄膜是非晶形的，并且退火后的薄膜通常含有在高温退火期间衬底上的SNO分解产生的二元Sm氧化物和Ni氧化物。退火后的薄膜通常不是化学计量上纯的SNO。参见Shi J.、Ha S.、Zhou Y.等人的“A correlated nickelate synaptic transistor(关联镍酸盐突触晶体管)”(Nat Commun 4,2676(2013)doi:10.1038/ncomms3676)；Shi J.、Zhouz Y.和Ramanathan s.的“Colossal resistance switching and band gap modulation in a perovskite nickelate by electron doping(电子掺杂钙钛矿镍酸盐中的巨电阻开关和带隙调制)”(Nat Commun 5,4860(2014)doi:10.1038/ncomms5860)；以及Sieu D.Ha、Gulgun H.Aydogdu和Shriram Ramanathan的“Examination of insulator regime conduction mechanisms in epitaxial and poly crystalline SmNiO
3 thin films(外延和多晶SmNiO3薄膜中绝缘体区导电机制的研究)”(J.App.Phys.110,094102(2011))。
[0014]在现有技术中，在设定有恒定的Ar(氩气)和O2(氧气)流量的氧气环境中沉积PCMO膜。参见Z.Li、Y.Zhou、H.Qi等人的“Correlated Perovskites as a New Platform for Super
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Tunable Photonics(关联钙钛矿作为超宽带可调光子学的新平台)”(Advanced Materials，28,9117(2016))，其公开内容通过引用并入本文。
[0015]此外，在现有技术中，通过(1)锂离子嵌入和(2)Pt辅助质子嵌入来获得在红外(IR)光谱中具有60％至90％光学透射率的SmNiO3(SNO)薄膜(lμm至9μm)。参见以上提及的Z.Li等人的“Correlated Perovskites as a New Platform for Super
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Tunable Photonics(关联钙钛矿作为超宽带可调光子学的新平台)”。
[0016]通过在涂覆有LiClO4电解质的SNO膜和锂电极(与该电解质接触)之间施加电压以驱动锂离子迁移到SNO膜中，进行锂离子嵌入(液相电化学反应)。利用在SNO膜上方制作的Pt光栅来在300℃下诱导H2催化离解，以产生扩散到该SNO膜中的质子。参见以上提及的Z.Li等人的“Correlated Perovskites as a Ne本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种在衬底上生长所需厚度的化学计量结晶红外IR透明相变关联过渡金属氧化物PCMO光学膜的方法，包括：a.在无氧气体环境中，将所述衬底加热到至少等于待沉积在其上的PCMO材料的结晶温度的温度；b.以至少等于所述PCMO材料的结晶温度的所述温度将所述PCMO材料沉积到所述衬底上；c.在无氧气体环境中，将其上溅射有所述PCMO材料的衬底冷却到显著低于所述PCMO材料的结晶温度的温度；d.在无氧气体环境中，将所述先前冷却的衬底加热到至少等于待沉积在其上的所述PCMO材料的结晶温度的温度；e.以至少等于所述PCMO材料的结晶温度的所述温度将所述PCMO材料沉积到所述先前溅射的PCMO材料上；以及f.重复步骤c、d和e，直到在所述衬底上得到所述所需厚度的PCMO光学膜。2.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤b和d中，在含氢的无氧气体环境中通过溅射进行沉积，从而用氢来掺杂所述沉积的PCMO材料。3.根据权利要求2所述的方法，其中在步骤b和d中，所述无氧气体环境还包括氮。4.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤f之后，在含氢的无氧气体环境中对其上沉积有所述PCMO材料的衬底进行退火，从而用氢来掺杂所述沉积的PCMO材料。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述无氧气体环境还包括氮。6.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤a和b之间，没有在所述衬底上沉积所述PCMO材料的籽晶层。7.一种用于在Si和其他衬底上生长相变关联过渡金属氧化物PCMO材料的工艺，在多个沉积步骤中，通过在每个沉积步骤期间在高温无氧气体环境中优选地进行溅射，来将所述PCMO材料沉积在所述衬底上，由冷却步骤将所述多个沉积步骤彼此分隔，在冷却步骤中所述无氧气体环境的高温降低至显著低于所述高温的温度。8.根据权利要求7所述的工艺，其中所述高温至少等于所述待沉积的PCMO材料的结晶温度，并且其中所述显著低于所述高温的温度不超过100℃。9.根据权利要求8所述的工艺，其中所述显著低于所述高温的温度不超过50℃。10.根据权利要求7所述的工艺，其中在PCMO沉积之前，所述衬底不要求在其上设置籽晶层。11.根据权利要求7所述的工艺，其中在至少含氢的环境中，对其上沉积有所述PCMO材料的衬底进行沉积后退火工艺。12.根据权利要求7所述的工艺，其中所述沉积的PCMO材料是化学计量的。13.根据权利要求7所述的工艺，其中所述高温和所述显著低于所述高温的温度之间的温差大于300℃。14.根据权利要求13所述的工艺，其中所述显著低于所述高温的温度不超过50℃。15.根据权利要求7所述的工艺，其中所述沉积的PCMO材料选自由NdNiO3、SmNiO3、PrNiO3、EuNiO3和GdNiO3及其各种组合组成的组。16.根据权利要求7所述的工艺，其中所述沉积的PCMO材料是化学计量NdNiO3。
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【专利技术属性】
技术研发人员：孙庆儿，文贞顺，徐华昌，理查德，
申请(专利权)人：HRL实验室有限责任公司，
类型：发明
国别省市：