Génération de deuxième harmonique modifiée optiquement dans des couches minces d'oxynitrure de silicium via un chauffage local de la couche

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8658 (2023) Citer cet article

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La génération de deuxième harmonique forte (SHG) dans le nitrure de silicium a été largement étudiée, entre autres, en termes d'amélioration de la SHG induite par laser dans les guides d'ondes Si3N4. Cette amélioration a été attribuée à la polarisation tout optique induite par l'effet photogalvanique cohérent. Pourtant, un processus analogue pour les couches minces de Si3N4 n'a pas été rapporté. Notre article rend compte de l'observation de l'amélioration triple SHG induite par laser dans des couches minces de Si3N4. L'amélioration observée présente de nombreuses caractéristiques similaires à la polarisation tout optique, telles qu'une dépendance à la puissance hautement non linéaire, un effet cumulatif ou une connexion à l'interface Si3N4 – Si. Cependant, des expériences identiques pour des films minces d'oxynitrure de silicium à faible teneur en oxygène conduisent à un comportement complexe, y compris une réduction SHG induite par laser. Suite à une étude expérimentale approfondie, y compris les effets du taux de répétition ou de la durée d'impulsion, les résultats observés ont été attribués à la variation SHG induite par la chaleur. En plus de révéler un nouveau mécanisme de variation SHG induite par laser, nos résultats fournissent également un moyen d'identifier ce mécanisme.

Le nitrure de silicium (Si3N4), ainsi que les oxynitrures de silicium (SiOxNy), ont attiré l'attention de nombreuses applications prospectives en optique. Ces matériaux sont utilisés pour le revêtement optique comme moyen de créer des couches avec un indice de réfraction gradué1. Néanmoins, récemment, la recherche sur le nitrure de silicium a été motivée principalement par ses propriétés optiques non linéaires, y compris la forte génération de deuxième harmonique (SHG)2. Ces propriétés peuvent être utilisées dans des structures de guides d'ondes, des nanocavités à cristaux photoniques, des structures plasmoniques ou des modulateurs optiques3,4,5.

De nombreuses études ont étudié les caractéristiques optiques non linéaires de Si3N4, en se concentrant en particulier sur la source de SHG4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 efficace. Les études révèlent deux sources possibles de SHG : (i) la génération de SHG sur l'interface Si3N4-Si6,11, et (ii) la SHG de type vrac, qui présente un caractère dipolaire4,6,13. Le SHG en vrac à caractère dipolaire a été affecté à la rupture de la symétrie du matériau via des déformations ou des inhomogénéités locales dans ces articles11,14.

Ces dernières années, un certain nombre de groupes de travail ont signalé la forte amélioration induite par laser de SHG dans les guides d'ondes de nitrure de silicium15,16,17 et les microrésonateurs18,19. Cette amélioration a été attribuée à l'effet de polarisation tout optique, où le mécanisme d'entraînement était ce que l'on appelle l'effet photogalvanique cohérent. Cet effet induit des champs électriques locaux internes dans le matériau et, par conséquent, permet un doublage de fréquence efficace dans les matériaux centrosymétriques via la non-linéarité du troisième ordre (EFISH)15,16. L'effet photogalvanique se produit lorsqu'un échantillon est exposé au faisceau laser fondamental et à sa deuxième harmonique, qui peut provenir d'une source externe ou être générée dans l'échantillon lui-même.

La variation SHG induite optiquement a également été rapportée pour les surfaces de Si oxydées. La variation a été attribuée à l'injection d'électrons et de trous multiphotons à travers l'interface Si-SiO2. Cependant, ce SHG dépendant du temps n'est limité qu'aux couches d'oxyde inférieures à 10 nm et disparaît pour les couches plus épaisses20.

Pour les couches minces optiques SiOxNy dépassant 10 nm d'épaisseur, il a été admis que l'efficacité SHG est déterminée par le processus de dépôt et la structuration des couches minces. Par exemple, il a été démontré que l'intensité SHG est favorisée par une stoechiométrie de Si3N47, un dépôt ciblé de structures Si3N4 et SiOxNy avec une contrainte résiduelle améliorée21 ou des charges fixes accumulées sur les interfaces de couche21. Contrairement aux guides d'ondes et aux microrésonateurs, l'amélioration SHG induite optiquement dans les couches minces optiques n'a pas été rapportée auparavant.

Dans cet article, nous rapportons nos observations de la variation SHG induite optiquement dans les couches minces de nitrure et d'oxynitrure de silicium sur un substrat de silicium. En particulier, nous avons observé une forte amélioration triple SHG sur les couches de Si3N4. Certaines caractéristiques de l'amélioration ressemblent étroitement à l'effet photogalvanique cohérent, y compris la dépendance de puissance hautement non linéaire ou le caractère cumulatif de l'amélioration SHG15,16. Nos mesures ont également révélé que la variation SHG n'est liée à aucun changement notable de l'indice de réfraction ou de la composition chimique de la couche.

Cependant, comme notre étude s'est étendue aux couches d'oxynitrure de silicium, nous avons noté un comportement plus complexe en fonction de la stoechiométrie de la couche. Dans certains cas, l'illumination par des impulsions femtosecondes IR a en fait réduit l'intensité du SHG. Le comportement observé était incompatible avec l'effet photogalvanique cohérent.

Par conséquent, nous avons effectué une série d'expériences testant la présence de changements induits par la chaleur dans l'échantillon, tels que l'effet du taux de répétition du laser d'irradiation, la variation de la longueur d'impulsion ou le recuit ex-situ de l'échantillon. Les résultats expérimentaux acquis ont pleinement confirmé notre hypothèse. Nos résultats montrent que l'amélioration SHG tout optique dans le nitrure et l'oxynitrure de silicium peut provenir non seulement de la polarisation optique, mais également des changements de matériau induits par la chaleur. La variation SHG peut donc être un processus complexe provenant d'une interaction de plusieurs phénomènes.

Dans un premier temps, nous avons étudié l'amélioration SHG induite par laser dans des couches minces de Si3N4 déposées par pulvérisation à double faisceau ionique sur le substrat Si. Tout au long de l'étude, nous avons utilisé des impulsions IR polarisées p à 1028 nm à la fois pour l'irradiation de l'échantillon et la mesure SHG ; l'angle d'incidence du faisceau IR était de 70 degrés et nous avons mesuré le SHG polarisé p - voir "Méthodes" pour plus de détails6.

Les mesures de variation SHG induites par laser ont été mises en œuvre en plaçant un échantillon sur une platine XY, ce qui nous a permis d'irradier l'échantillon point par point et également de cartographier l'intensité SHG, ainsi que la réflectivité IR. La variation d'intensité SH induite par laser a été mesurée en éclairant plusieurs segments rectangulaires de l'échantillon, en utilisant une intensité laser IR différente pour chaque segment - voir Fig. 1A. Par la suite, nous avons effectué un balayage XY global à une faible intensité laser, qui a été utilisé pour enregistrer le SHG et l'intensité IR réfléchie - voir Fig. 1A.

Amélioration SHG induite par laser (A) Balayage spatial XY d'un échantillon - intensités mesurées SHG et IR réfléchies sur la couche Si3N4 précédemment éclairée en segments avec une intensité laser augmentant de gauche à droite. (B) Intensité moyenne de SHG (carrés verts) et IR réfléchie (cercles rouges) après l'illumination précédente pour un ensemble d'intensités d'irradiation (puissances de pointe). Données mesurées pour la couche Si3N4 (0 sccm, substrat Si, épaisseur 1500 nm). L'intensité d'irradiation « nulle » correspond à une couche non exposée. (C) Amélioration SHG mesurée sur la couche SiOxNy (1 sccm, substrat Si, 1200 nm) - carrés pleins. Par rapport à l'intensité SHG sur le substrat Si adjacent - carrés vides. (D) Dépendance de l'amélioration SHG sur le nombre de balayages d'éclairage sur le même segment. Mesuré sur une couche SiOxNy (1 sccm, substrat Si, 1200 nm) - carrés pleins. Par rapport à l'intensité SHG sur le substrat Si adjacent - carrés vides.

Nous avons observé une SHG significativement améliorée dans les régions précédemment éclairées par des impulsions IR de haute intensité - voir Fig. 1A. La dépendance de l'amélioration SHG sur la puissance d'irradiation sur la figure 1B a suivi l'I6, qui avait déjà été signalé également pour la polarisation optique via l'effet photogalvanique cohérent15,16. L'amélioration SHG était homogène sur toute la zone éclairée, ce qui implique qu'elle n'était liée à aucune contamination locale de l'échantillon. L'amélioration n'a pas non plus modifié la dépendance du SHG à la polarisation du faisceau d'entrée - voir Fig. 5 supplémentaire dans Informations supplémentaires.

Parallèlement à la mesure SHG, nous avons également mesuré la réflectivité IR de la zone éclairée (voir Fig. 1A, B), qui est restée constante dans l'erreur statistique relative de 0,5 %. Puisque nous avons mesuré la réflectance de polarisation p à proximité de l'angle de Brewster, nous pouvons en déduire qu'il ne peut y avoir de changement majeur dans l'indice de réfraction de la couche ou du substrat. Une amélioration SHG analogue a également été observée pour les films minces d'oxynitrure déposés sur un substrat de silicium avec un débit d'oxygène de 1 sccm - voir Fig. 1C. On désigne les couches d'oxynitrure de silicium par le flux d'oxygène utilisé lors du dépôt de la couche. Alors que ϕ(O2) = 0 sccm correspond au Si3N4 pur, le flux de ϕ(O2) = 3 sccm conduit à la formation de couches proches de SiO223. L'estimation des facteurs stoechiométriques pour chaque échantillon est fournie dans Informations supplémentaires, Sect. 1.

Nous avons également étudié le cas où un segment d'un échantillon est irradié plusieurs fois - voir Fig. 1D. Nous avons remarqué que l'effet est cumulatif, c'est-à-dire que l'amélioration SHG augmente avec un nombre plus élevé d'analyses mais qu'elle montre des signes de saturation après quelques répétitions. Un effet similaire pourrait également être observé pour une irradiation par le même niveau d'intensité pour des intervalles de temps allant de 0,5 à 10 s. Nous avons observé qu'une irradiation de 10 s entraîne une augmentation de 10 à 20 % de l'amélioration du SHG par rapport à une irradiation de 0,5 s (voir Informations supplémentaires pour plus de détails). Néanmoins, l'effet cumulatif de plusieurs scans est beaucoup plus prononcé.

Fait intéressant, nous avons observé la variation SHG induite par laser uniquement pour les couches sur le substrat Si, tandis que les mêmes couches déposées sur le substrat BK7 ne montraient aucun signe d'amélioration - voir Fig. 2A. Nous avons confirmé ce comportement pour une variété de couches minces de SiOxNy déposées au sein d'un même lot, qui ne différaient que par leur substrat. C'est pourquoi, dans la suite du texte, nous nous sommes limités aux couches déposées sur le substrat Si. Nous discutons des implications de la différence entre les substrats dans la section "Discussion".

(A) Comparaison entre l'amélioration SHG de la couche mince SiOxNy (1 sccm, 1200 nm) déposée sur le substrat Si (carrés pleins) et la même couche déposée sur le substrat BK7 (triangles ouverts). Partie inférieure : carte d'intensité SHG - balayage XY de la couche éclairée sur BK7. (B) Intensité SHG (carrés verts) et intensité IR réfléchie (cercles rouges) après éclairage laser sur la couche SiOxNy (0,5 sccm, 1200 nm, substrat Si) - dépendance à la puissance d'éclairage. Partie inférieure : carte d'intensité SHG - balayage XY de la couche éclairée. La zone vierge (de référence) n'était pas éclairée avant la mesure.

Pour exclure la possibilité que les changements induits par le laser ne se produisent que dans le substrat, nous avons effectué des mesures près du bord de la couche, où nous avons irradié la couche et le substrat nu en une seule expérience. Le substrat Si sans couche n'a montré que des changements SHG mineurs dans l'erreur statistique de la mesure - voir Fig. 1C, D. Nous avons également vérifié que l'amplitude du champ électrique du laser IR était comparable pour le substrat nu et le substrat sous la couche. Par conséquent, l'absence d'amélioration SHG sur le substrat nu montre que la variation SHG provient de la couche et nécessite la présence de l'interface Si-couche.

Les propriétés observées de l'amélioration SHG présentées dans les Fig. 1 et 2A ressemblent étroitement à l'effet photogalvanique cohérent rapporté précédemment sur les guides d'ondes Si3N4. Les similitudes incluent le comportement non linéaire I6, l'amélioration SHG cumulative, l'amélioration SHG sans changement apparent dans la réponse optique linéaire de la couche et la connexion à l'interface Si – SiOxNy.

La variation SHG photoinduite est devenue plus complexe pour les échantillons de couches minces d'oxynitrure à faible teneur en oxygène. Nous avons observé que pour les couches de SiOxNy avec un flux d'oxygène de 0, 25 à 0, 5 sccm, l'intensité SH diminuait avec l'augmentation de l'intensité d'éclairage IR - voir Fig. 2B. Ce comportement était persistant pour différents échantillons déposés.

La réduction SHG sur les couches minces d'oxynitrure à faible teneur en oxygène de la figure 2B contredit l'interprétation via la polarisation optique. L'effet photogalvanique cohérent est intrinsèquement adapté en phase et conduit toujours à une amélioration SHG15. De plus, il a été prouvé que les méthodes précédemment rapportées d'effacement du champ électrique interne intégré en éclairant l'échantillon avec une lumière SH générée de l'extérieur n'affectent pas les changements observés dans nos échantillons15.

Nous proposons un phénomène différent cohérent avec les données expérimentales présentées comme source de la variation SHG : les changements induits par la chaleur. En mesurant l'énergie d'impulsion transmise et réfléchie, nous avons vérifié que la grande majorité de l'énergie d'impulsion était absorbée dans la couche et le substrat Si. L'absorption linéaire était dominée par le substrat Si de 1 mm d'épaisseur, tandis que les pertes à l'intérieur de la couche sont négligeables - voir Informations supplémentaires, Sect. 7. Néanmoins, les intensités d'excitation utilisées dépassaient largement le régime linéaire24.

Pour évaluer la possibilité d'une transformation d'échantillon induite par la chaleur, nous avons effectué un calcul simple, qui nous a fourni une estimation brute du changement de température induit par une seule impulsion - voir Informations supplémentaires, Sect. 4 pour plus de détails. En fonction de la profondeur d'absorption, nous pouvons estimer qu'une seule impulsion peut augmenter la température locale de dizaines de Kelvins au maximum mais ne peut pas à elle seule fournir suffisamment de chaleur pour la restructuration de la couche. Cela implique que l'effet potentiel induit par la chaleur doit être cumulatif.

Par conséquent, nous avons effectué des séries de mesures où nous avons fait varier le taux de répétition du laser. Si un effet photogalvanique cohérent ou un processus non linéaire analogue est responsable de l'amélioration SHG, nous devrions observer la même amélioration SHG lorsque nous gardons une puissance de crête d'irradiation constante et le même nombre d'impulsions incidentes sur place. Cela tiendrait indépendamment du taux de répétition du laser. Au contraire, les changements induits par la chaleur dans un échantillon devraient fortement dépendre du taux de répétition du laser, même si le nombre total d'impulsions incidentes est le même. En effet, le long délai entre les impulsions permet une meilleure dissipation de la chaleur entre les impulsions.

En effectuant la mesure d'amélioration SHG pour des taux de répétition de 100 kHz et 10 kHz où nous avons maintenu le même nombre d'impulsions incidentes, nous avons pu voir que l'amélioration dépend fortement du taux de répétition du laser - voir Fig. 3A, B. Ce résultat indique que nous observons des changements induits par la chaleur dans l'interface Si – SiOxNy.

(A) Balayage XY de l'intensité SHG de la couche Si3N4 (0 sccm, 1500 nm, substrat Si) irradiée par deux taux de répétition laser : 100 kHz pendant 2 s (zone rectangulaire supérieure) et 10 kHz pendant 20 s (zone rectangulaire inférieure), intensité d'irradiation laser 230 GW/cm2. (B) Balayage XY de l'intensité IR réfléchie - mêmes conditions et échantillon que dans le panneau (A). (C) Amélioration thermique de SHG pour la couche de Si3N4 via un recuit ex-situ : balayage XY sur deux segments du même échantillon - LHS : sans traitement thermique ; RHS : recuit à 400 °C. (D) Amélioration thermique de SHG pour SiOxNy avec sccm 0,5 via un recuit ex-situ (LHS sans traitement thermique, RHS 400 ° C recuit). Les barres d'échelle rouges correspondent à 0,5 mm pour tous les panneaux.

Pour confirmer cette conclusion, nous avons mené une expérience avec un recuit d'échantillon ex-situ. Nous avons découpé un substrat Si avec une couche Si3N4 en deux parties. L'une de ces pièces a été uniformément chauffée à 400 °C pendant 30 min, puis laissée refroidir à température ambiante. Les deux parties de l'échantillon ont ensuite été placées dans la configuration et numérisées en une seule mesure. Les résultats peuvent être vus sur la figure 3C, où la partie recuite de l'échantillon est représentée sur le côté droit, tandis que le côté gauche est la partie sans traitement thermique. L'intensité moyenne mesurée du SH de la pièce recuite est d'environ 20 % supérieure à celle de la pièce non recuite. Dans le même temps, les changements d'intensité IR réfléchie sont subtils.

De plus, nous avons mené la même expérience sur l'échantillon de SiOxNy (0,5 sccm) pour lequel nous avions précédemment observé une diminution de SHG due à une irradiation avec un faisceau laser - voir Fig. 2B. Conformément à nos attentes, ici, le recuit a entraîné une réduction de l'intensité moyenne de SHG sur la pièce recuite d'environ 30 % par rapport à la pièce qui n'a pas été traitée thermiquement - voir Fig. 3D.

Pour élucider le mécanisme d'absorption non linéaire de la lumière, nous avons étudié l'effet de la puissance maximale du laser sur la variation SHG. À savoir, nous avons réglé la longueur d'impulsion incidente entre 225 fs et 4 ps et mesuré l'amélioration SHG dans Si3N4, tandis que toutes les autres propriétés, y compris l'énergie par impulsion et le taux de répétition, étaient maintenues constantes. Nous avons observé que l'amélioration relative du SHG augmentait de 50 % en prolongeant la durée d'impulsion de 225 fs à 2 ps - voir Fig. 4A. Bien que nous discutions de ces résultats dans la section suivante, il convient de noter ici que cette observation fournit des preuves solides contre la polarisation optique responsable de l'amélioration de SHG dans nos échantillons. Le courant photogalvanique asymétrique induit lors de la polarisation optique est entraîné par une interaction non linéaire des porteurs de charge avec le champ électrique, qui est proportionnelle à la puissance de crête de l'impulsion15. La puissance de crête a été presque neuf fois diminuée dans les impulsions de 2 ps, mais l'amélioration SHG a augmenté.

(A) Amélioration de l'intensité SHG relative de la couche Si3N4 (0 sccm, 1500 nm, substrat Si) irradiée par une longueur d'impulsion variable pour une énergie d'impulsion totale constante (46 mJ/cm2). La valeur 1 correspond à l'intensité SHG sans rehaussement. La ligne rouge sert uniquement de guide pour l'œil. (B) Relaxation de l'amélioration SHG après irradiation IR pour la couche Si3N4. Symboles rouges : couche Si3N4 (0 sccm, 1500 nm, substrat Si). Symboles noirs : couche Si3N4 (0 sccm, 600 nm, substrat Si) ; Les échantillons ont été irradiés par une énergie d'impulsion de 46 mJ/cm2 (puissance de crête 200 GW/cm2) pour des conditions standard. La valeur 1 correspond à l'intensité SHG initialement mesurée immédiatement après l'irradiation. Les lignes ne servent que de guide pour l'œil.

Enfin, nous avons également étudié la relaxation de la variation de SHG dans le temps. En particulier, nous avons mesuré des couches de Si3N4 sur un substrat Si, qui a subi une irradiation IR conduisant à une amélioration SHG. Nous avons utilisé des échantillons avec différentes épaisseurs de couche et intensités d'irradiation. L'échelle d'amélioration a été mesurée immédiatement après l'irradiation via plusieurs balayages pour vérifier que le balayage lui-même n'a pas modifié la valeur mesurée. Par la suite, les échantillons ont été mesurés à plusieurs reprises pendant plusieurs jours - voir Fig. 4B. Selon les conditions, c'est-à-dire l'épaisseur de la couche et la puissance d'irradiation, nous avons observé un degré différent de relaxation SHG. Pour les échantillons avec un SHG faiblement amélioré, la relaxation SHG était négligeable - voir les symboles noirs sur la figure 4B (exemple d'amélioration SHG de 10%). Au contraire, pour le SHG fortement amélioré, le facteur d'amélioration a diminué jusqu'à 75 % de la valeur d'origine - voir les symboles rouges sur la figure 4B (exemple d'amélioration de 60 % de SHG). Fait intéressant, une telle relaxation d'amélioration à l'échelle de plusieurs jours est similaire à la relaxation de l'amélioration SHG observée pour la polarisation optique25.

À la lumière de nos résultats, nous pouvons attribuer en toute sécurité l'amélioration/réduction SHG induite par laser observée au chauffage localisé de la couche. De l'absence observée de l'amélioration SHG pour le substrat BK7, nous pouvons conclure que la chaleur induite doit être générée soit sur l'interface couche-Si, soit dans le substrat Si adjacent lui-même. Cette interprétation est également cohérente avec d'autres expériences menées sur les mêmes échantillons, comme une étude pompe-sonde de la dynamique initiale à l'échelle de temps picoseconde - voir Informations complémentaires, Sect. 5 pour les résultats. Néanmoins, sur des échelles de temps plus longues, la conduction thermique conduirait à une uniformité de température sur toute l'épaisseur de la couche, ce que nous avons vérifié par une simple simulation par la méthode des éléments finis.

Un caractère hautement non linéaire de l'amélioration SHG (dépendance I6) a été combiné avec une amélioration SHG plus prononcée pour une durée d'impulsion accrue. Un tel comportement est cohérent avec l'observation de l'absorption des porteurs libres, c'est-à-dire l'absorption induite sur les porteurs de charge excités, qui est suivie pour des intensités laser élevées par ionisation par impact, où l'excès d'énergie des porteurs de charge excités peut conduire à l'excitation de nouveaux. L'absorption intrabande de porteurs libres de porteurs excités permet une transformation rapide de l'énergie excédentaire en chaleur via l'interaction avec les phonons optiques. Néanmoins, nos résultats expérimentaux ne nous permettent pas de discerner l'absorption des porteurs libres à l'interface couche-substrat du même processus dans le substrat adjacent.

Nous pouvons maintenant passer à l'identification du mécanisme derrière l'amélioration SHG elle-même. Dans la littérature publiée, le SHG dans les structures Si3N4 – Si est généralement attribué au SHG de l'interface Si – Si3N4 et à la génération de dipôles à partir de la masse Si3N4. Nos résultats ne peuvent à eux seuls résoudre la différence entre les sources et nous fournir des preuves directes du mécanisme physique réel de l'amélioration des SHG induite par la chaleur. Pourtant, nous pouvons discuter de la cohérence des différents scénarios avec les résultats expérimentaux.

Nous proposons deux scénarios viables de variation de SHG : (i) formation d'une nouvelle sous-couche induite par la chaleur à l'interface couche-substrat conduisant à la modification de l'interface SHG, (ii) restructuration induite par la chaleur de la masse de la couche alternant l'efficacité de le SHG en vrac.

Nous avons précédemment observé que pour les couches de Si3N4 étudiées déposées via IBS, l'efficacité du SHG évolue avec l'épaisseur de la couche et, également, sa dépendance angulaire suggère que le SHG en vrac domine pour les couches d'une épaisseur supérieure à 1 μm6. Si l'amélioration provenait du SHG sur l'interface couche-Si, nous nous attendrions à observer une amélioration SHG plus faible pour une épaisseur de couche Si3N4 plus élevée, car le SHG dominant de type vrac resterait inchangé. Cependant, cela est contraire aux résultats, où nous avons observé des niveaux analogues d'améliorations SHG pour des couches dont les épaisseurs varient de plus de trois fois.

Nous pouvons également discuter des résultats en ce qui concerne la réflectance IR des échantillons, qui n'ont montré que des changements négligeables après une irradiation IR de haute intensité. Pour ce faire, nous avons créé un modèle optique de l'échantillon - voir Informations supplémentaires, Sect. 5. Le modèle optique étudie la variation de la réflexion IR de l'échantillon induite par une modification de l'indice de réfraction des couches minces. À partir du modèle, nous pouvons conclure que les changements subtils observés dans la réflectance IR imposent des contraintes aux deux scénarios mentionnés ci-dessus. La variation de l'indice de réfraction ne peut être très élevée (> 0,1) que pour la formation d'une couche très fine (< 10 nm). Pour la modification de volume de couche (> 50 nm d'épaisseur), l'indice de réfraction ne devrait pas varier de plus de 0,01.

La chaleur peut, en principe, induire la formation d'une sous-couche très fine à l'interface couche-substrat via la diffusion des atomes à travers l'interface. Cependant, les coefficients de diffusion de Si et N dans Si3N4 et la longueur de diffusion correspondante pendant la courte période d'éclairage de 2 s n'atteindraient un effet notable que lorsque la température locale dans la couche était nettement supérieure à 1700 °C26, c'est-à-dire dépassant le point de fusion de Si et se rapprochant du point de fusion de Si3N4. Ce niveau de température n'est pas viable puisque nous avons observé que la couche peut résister à un niveau d'irradiation significativement plus élevé et à la température associée sans être détruite. La diffusion d'atomes (par exemple, l'oxygène) à travers l'interface couche-air ne peut pas être responsable de l'amélioration, car ce processus serait actif pour les substrats Si et BK7.

Par conséquent, nous proposons la restructuration induite par la chaleur du volume de la couche comme explication la plus réalisable. Nous pouvons supposer que la contrainte mécanique dans la couche pourrait être responsable de la variation SHG, car la contrainte : (i) affecte fortement l'efficacité SHG en raison de la rupture de symétrie21 ; (ii) conduit à un faible changement d'indice de réfraction27 ; (iii) son hystérésis est très différente pour les couches Si3N4 et SiOxNy, car le caractère de la contrainte passe de la compression à la traction28. Nos expériences avec un recuit de couche à 400 ° C, qui est suffisant pour modifier la contrainte dans la couche, ont conduit à une modification SHG en ligne avec les changements induits par le laser. Enfin, la relaxation partielle de l'amélioration SHG pourrait s'expliquer par la relaxation de la contrainte résiduelle dans les couches sur une plage de plusieurs jours, qui a déjà été rapportée dans la littérature30.

Il convient de souligner à nouveau que la discussion de l'origine physique de l'amélioration SHG est basée uniquement sur des preuves indirectes, où nous discutons de la cohérence des mécanismes proposés avec les résultats observés. Bien que nous puissions attribuer en toute sécurité l'amélioration SHG à la chaleur induite dans les échantillons par le faisceau laser focalisé, les mécanismes réels induits par la chaleur ne peuvent pas être confirmés ou exclus avec certitude.

En résumé, nous avons mené une enquête approfondie sur la modification SHG induite par la lumière, que nous avons observée, contrairement à d'autres rapports, sur des échantillons à couche mince. Alors que le comportement non linéaire et d'autres aspects pourraient suggérer que nous avons été témoins de l'effet photogalvanique cohérent, nous avons effectué un ensemble de mesures qui attribuaient en toute sécurité la modification SHG au chauffage localisé de la couche. Nous proposons que la restructuration induite par la chaleur de la masse de la couche est la source la plus viable de l'amélioration SHG observée ; cependant, nous ne pouvons pas exclure d'autres options.

Tout d'abord, nos résultats fournissent des informations sur un nouveau mécanisme de variation SHG induite par laser dans les couches minces Si3N4 et SiOxNy sur un substrat Si. Ce mécanisme est entièrement différent de la polarisation optique rapportée précédemment. Par conséquent, il est très intéressant de distinguer les deux effets dans les expériences futures et de prendre en compte l'amélioration SHG dans la caractérisation des couches.

En particulier, nous proposons des mesures de SHG sous différents taux de répétition laser et différentes longueurs d'impulsion laser comme un moyen simple de vérifier la présence d'une modification induite par la chaleur. En général, pour étudier les couches de Si3N4, il est très avantageux d'utiliser un taux de répétition laser réduit comme moyen simple de minimiser la modification de couche induite par le laser6.

La configuration SHG utilisée dans cette étude a été décrite en détail dans la réf. 6. Des impulsions Yb:YAG fs amplifiées (4 µJ/impulsion) à 1028 nm ont été dirigées vers la configuration SHG, où leur intensité a été modulée au niveau souhaité à l'aide d'une plaque d'onde λ/2 et d'un séparateur de faisceau cubique polarisant. Le niveau d'intensité IR au niveau de l'échantillon a été calibré par un wattmètre thermique (thermopile). Les impulsions IR ont été focalisées sur l'échantillon en un point de 20 µm de diamètre, qui a été déterminé en utilisant la technique du couteau. Le faisceau IR focalisé a été utilisé pour générer SHG dans la géométrie réfléchissante.

Tout au long de l'article, nous avons utilisé une lumière infrarouge à polarisation p, un angle d'incidence de 70 degrés, et nous avons détecté un rayonnement SHG à polarisation p. À l'aide d'une série d'optiques dichroïques et de filtres colorés, nous avons détecté simultanément l'intensité de la lumière IR réfléchie et le rayonnement SH généré. Sauf indication contraire, les expériences ont été réalisées à la fréquence de répétition laser de 100 kHz.

Sauf indication contraire, les impulsions IR ont été compressées dans la longueur d'impulsion de 225 fs. En utilisant le compresseur à réseau intégré au laser, nous avons pu augmenter la durée d'impulsion jusqu'à plusieurs picosecondes en induisant un chirp dans les impulsions. La longueur d'impulsion chirpée a été déterminée sur la base de l'étalonnage fourni par le fabricant (Light Conversion). La compression des impulsions a été optimisée par génération de supercontinuum dans le saphir.

La préparation des échantillons a été réalisée à l'aide de la pulvérisation à double faisceau d'ions décrite en détail dans la Réf.6. Un faisceau d'ions Ar+ (courant de faisceau 108 mA, tension de faisceau 600 V) a pulvérisé des atomes de Si d'une cible sur des substrats (silicium ou BK7), où les atomes déposés ont interagi avec des ions d'azote et d'oxygène générés par un faisceau d'ions d'assistance (courant d'émission 0,6 A, tension de décharge 70 V). En modifiant le rapport entre le flux d'ions oxygène et azote, nous avons pu faire varier la stœchiométrie des couches du Si3N4 pur (ϕ(O2) = 0 sccm) en passant par SiOxNy jusqu'à des couches proches de SiO2 (ϕ(O2) = 3 sccm). L'estimation des facteurs stœchiométriques est fournie dans les informations complémentaires (Sect. 1). Nous avons réalisé une étude détaillée des propriétés optiques linéaires des couches de la Réf.23. L'épaisseur des couches variait entre 300 et 3500 nm.

Les couches déposées, lorsqu'elles sont laissées à température ambiante, se sont révélées stables en termes de propriétés optiques (transmittance et réflectance) à l'échelle des années.

Des mesures de variation de SHG induites par laser ont été mises en œuvre en plaçant un échantillon sur une platine XY, ce qui nous a permis de scanner l'échantillon et de l'irradier point par point. La variation d'intensité SH induite par laser a été mesurée en éclairant plusieurs segments rectangulaires de l'échantillon, en utilisant une intensité laser IR différente pour chaque segment - voir Fig. 1A.

Pendant l'irradiation, le segment a été balayé point par point par le laser IR (1028 nm), irradiant chaque point pendant 2 s sauf indication contraire. L'intensité d'irradiation variait de 170 à 430 GW/cm2, correspondant à 35–100 mJ/cm2/impulsion. Par la suite, nous avons effectué un balayage XY global enregistrant l'intensité SH et IR réfléchie - voir Fig. 1A. Le balayage XY global couvrait tous les segments précédemment irradiés et une zone de référence adjacente sans irradiation préalable. Pendant le balayage global, l'intensité du faisceau IR a été maintenue à un niveau bas constant (170 GW/cm2, 35 mJ/cm2/impulsion) pour éviter des changements d'échantillon supplémentaires. Les données obtenues à partir de l'analyse globale ont ensuite été évaluées indépendamment pour chaque segment en calculant l'intensité moyenne et l'écart type en tant qu'estimation d'erreur - voir Fig. 1B.

La reproductibilité à long terme des mesures a été assurée en utilisant un laser à puissance de sortie stabilisée. La stabilité de la compression des impulsions a été vérifiée par une génération de supercontinuum dans une plaque de saphir.

Les données sous-jacentes aux résultats présentés dans cet article ne sont pas accessibles au public, mais peuvent être obtenues auprès de l'auteur correspondant Karel Žídek sur demande raisonnable.

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Nous tenons à remercier le ministère de l'Éducation, de la Jeunesse et des Sports (Projet n° CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_026/0008390), l'Agence des subventions de la République tchèque (Projet n° 23-08020S) et le Concours de bourses pour étudiants à l'Université technique de Liberec (dans le cadre des projets n° SGS-2023-3334). Nous remercions Martina Tauchmanová pour la mesure de la dynamique initiale de réflectivité dans les échantillons. Nous remercions également Hana Libenská et Gleb Pokatilov pour leur aide dans la caractérisation des échantillons et les simulations de conduction thermique.

Centre de recherche TOPTEC, Institut de physique des plasmas de l'Académie tchèque des sciences, Za Slovankou 1782/3, 182 00, Prague, République tchèque

Jakub Lukeš, Vít Kanclíř, Jan Václavík, Radek Melich & Karel Žídek

Université technique de Liberec, Faculté de mécatronique, d'informatique et d'études interdisciplinaires, Studentská 1402/2, 461 17, Liberec, République tchèque

Jakub Lukeš & Vít Chancelier

Asphericon GmbH, Stockholmer Str. 9, 07747, Iéna, Allemagne

Ulrike Fuchs

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JL et KZ ont écrit le texte principal du manuscrit, interprété les données et préparé les figures. JL a réalisé des expériences et traité les données. VK et JV ont déposé les couches minces. RM et UF ont caractérisé les échantillons. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance avec Karel Žídek.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Lukeš, J., Kanclíř, V., Václavík, J. et al. Génération de seconde harmonique modifiée optiquement dans des couches minces d'oxynitrure de silicium via un chauffage local de la couche. Sci Rep 13, 8658 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35593-8

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Reçu : 19 décembre 2022

Accepté : 20 mai 2023

Publié: 29 mai 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-35593-8

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