국부적인 층 가열을 통해 실리콘 산질화물 박막에서 광학적으로 변형된 2차 고조파 생성

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8658(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

실리콘 질화물의 강력한 2차 고조파 생성(SHG)은 Si3N4 도파관의 레이저 유도 SHG 향상 측면에서 광범위하게 연구되었습니다. 이러한 향상은 일관된 광전기 효과에 의해 유도된 전광학 폴링에 기인합니다. 그러나 Si3N4 박막에 대한 유사한 공정은 보고되지 않았습니다. 우리 기사는 Si3N4 박막에서 레이저 유도 삼중 SHG 향상의 관찰에 대해 보고합니다. 관찰된 향상은 높은 비선형 전력 의존성, 누적 효과 또는 Si3N4-Si 인터페이스 연결과 같은 전광 폴링과 유사한 많은 기능을 가지고 있습니다. 그러나 저산소 실리콘 산질화물 박막에 대한 동일한 실험은 레이저 유도 SHG 감소를 포함한 복잡한 동작으로 이어집니다. 반복률이나 펄스 길이의 영향을 포함한 철저한 실험 연구에 따라 관찰된 결과는 열로 인한 SHG 변화에 기인합니다. 레이저 유발 SHG 변화의 새로운 메커니즘을 밝히는 것 외에도 우리의 결과는 이 메커니즘을 식별하는 수단도 제공합니다.

실리콘 질화물(Si3N4)과 실리콘 산질화물(SiOxNy)은 광학 분야의 많은 응용 분야에서 주목을 받아 왔습니다. 이러한 재료는 굴절률이 등급화된 층을 생성하는 수단으로 광학 코팅에 사용됩니다1. 그럼에도 불구하고, 최근 실리콘 질화물에 대한 연구는 강한 2차 고조파 생성(SHG)2을 포함한 비선형 광학 특성에 의해 주로 동기가 부여되었습니다. 이러한 특성은 도파관 구조, 광결정 나노공동, 플라즈몬 구조 또는 광 변조기3,4,5에서 활용될 수 있습니다.

많은 연구에서 특히 효과적인 SHG4,5,6,7,8,9,10,11,12,13의 소스에 초점을 맞춰 Si3N4의 비선형 광학 특성을 조사했습니다. 이 연구는 SHG의 두 가지 가능한 소스를 밝힙니다. (i) Si3N4-Si 인터페이스에서 SHG 생성6,11, 그리고 (ii) 쌍극 특성을 특징으로 하는 벌크형 SHG입니다. 양극성 특성을 가진 벌크 SHG는 이 기사11,14에서 변형이나 국부적인 불균일성을 통해 재료 대칭을 깨는 데 할당되었습니다.

최근 몇 년 동안 많은 작업 그룹에서 실리콘 질화물 도파관15,16,17 및 마이크로 공진기18,19에서 SHG의 강력한 레이저 유도 향상에 대해 보고했습니다. 이러한 향상은 구동 메커니즘이 소위 응집성 광전기 효과인 전광학 폴링(all-optical poling) 효과에 기인합니다. 이 효과는 재료의 내부 국부 전기장을 유도하므로 EFISH(3차 비선형성)를 통해 중심대칭 재료에서 효율적인 주파수 배가를 허용합니다. 광갈바닉 효과는 샘플이 기본 레이저 빔과 외부 소스에서 발생하거나 샘플 자체에서 생성될 수 있는 두 번째 고조파에 노출될 때 발생합니다.

산화된 Si 표면에 대해서도 광학적으로 유도된 SHG 변화가 보고되었습니다. 이러한 변화는 Si-SiO2 계면을 가로지르는 다광자 전자 및 정공 주입에 기인합니다. 그러나 이 시간 의존적 SHG는 10 nm 미만의 산화물 층에만 제한되며 더 두꺼운 층에서는 사라집니다.

두께가 10 nm를 초과하는 SiOxNy 광학 박막의 경우 SHG 효율은 증착 공정 및 박막 구조에 의해 결정되는 것으로 받아들여졌습니다. 예를 들어, SHG 강도는 Si3N47의 화학량론, 향상된 잔류 응력을 갖는 Si3N4 및 SiOxNy 구조의 목표 증착 또는 층 인터페이스21에 축적된 고정 전하에 의해 촉진되는 것으로 나타났습니다. 도파관 및 마이크로 공진기와 달리 광학 박막에서 광학적으로 유도된 SHG 향상은 이전에 보고된 적이 없습니다.

이 기사에서는 실리콘 기판의 질화규소 및 산질화물 박막에서 광학적으로 유도된 SHG 변화에 대한 관찰에 대해 보고합니다. 특히, 우리는 Si3N4 층에서 강력한 삼중 SHG 향상을 관찰했습니다. 향상의 일부 특성은 고도의 비선형 전력 의존성 또는 SHG 향상의 누적 특성을 포함하여 일관된 광갈바니 효과와 매우 유사합니다. 우리의 측정은 또한 SHG 변화가 층 굴절률이나 화학 조성의 눈에 띄는 변화와 관련이 없음을 보여주었습니다.