集成光學(xué)器件的材料

1、第七章四節(jié) 集成光學(xué)器件的材料 集成光學(xué)是以光的形式發(fā)射、調(diào)制、控制、和接收信號，集光信號的處理功能為一身的新一代集成光學(xué)器件。 其最終目的是代替目前的電子通信手段，實現(xiàn)全光通訊。 光子集成用材料的共同要求 包括無源器件和有源器件的集成 共同要求 要易于形成質(zhì)量良好的光波導(dǎo)，滿足器件功能要求；包括：易于實現(xiàn)光波導(dǎo)；在給定波長范圍內(nèi)損耗1dB/cm 集成性能良好，即在同一襯底上可以制備出盡可能多的不同功能的器件；包括制作有源器件的帶隙寬度、閾值等，電/光器件的兼容性等-目前最大的困難 材料本身和加工的經(jīng)濟(jì)性半導(dǎo)體材料 是目前唯一可以同時制作光子有源器件、電子有源器件、光子無源器件的材料 但對于某

2、些特性不是最佳 分為：間接帶隙半導(dǎo)體材料直接帶隙半導(dǎo)體材料ECBkkDirect Bandgap(a) GaAsECBVBIndirect Bandgap, Egkkkcb(b) SiEkkPhonon(c) Si with a recombination centerEgEcEvEcEvkvbVBCBErEcEvPhotonVB(a) In GaAs the minimum of the CB is directly above the maximum of the VB. GaAs istherefore a direct bandgap semiconductor. (b) In Si,

3、 the minimum of the CB is displaced fromthe maximum of the VB and Si is an indirect bandgap semiconductor. (c) Recombination ofan electron and a hole in Si involves a recombination center . 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)間接帶隙半導(dǎo)體材料直接帶隙半導(dǎo)體材料光子與半導(dǎo)體作用遵循光子與半導(dǎo)體作用遵循能量守恒：能量守恒：動量守恒：動量守恒：p pk

4、 k cvEEh0ehkk電子波矢k=2/ 間接帶隙半導(dǎo)體材料-Si 優(yōu)勢 硅片尺寸大（12）、質(zhì)量高、價格低、機械性能好、加工方便 平面硅工藝是目前最重要的IC工藝，最成熟 具有諸如電光等效應(yīng)、波導(dǎo)損耗低、可制作光檢波器件 問題-作為光源量子效率太低，載流子遷移速度低 用途 混合集成的襯底-硅基集成光子學(xué)！ 光波導(dǎo)及光波導(dǎo)器件（光分波/合波器件，） 熱光/電光器件（調(diào)制器、開關(guān)，）SOI光波導(dǎo) (Silicon-on-Insulator, 絕緣體上硅) SOI-低功耗、高速CMOS器件的基本材料，被稱為“二十一世紀(jì)的硅基礎(chǔ)電路技術(shù)”。也具備許多優(yōu)越的光學(xué)特性，比如低損耗(在光通信波段)、高折

5、射率差，這使得它不但能用來制作靈巧緊湊的光集成器件，也為利用CMOS微電子工藝實現(xiàn)光電集成提供了一個很好的平臺。SOI材料中作為波導(dǎo)芯層的硅折射率很大，與作為包層的SiO2之間有很大的折射率差 SOI光波導(dǎo)特點可以將SiO2包覆層做的很薄（小于1微米），便于OEIC工藝的實現(xiàn)具有抗核輻射能力，在空間和軍工應(yīng)用廣泛單模波導(dǎo)損耗可以很低，適合制作無源器件直接帶隙半導(dǎo)體材料InGaAsP材料體系（-族為主） GaAs、InP（二元化合物） InGaAs、AlGaAs （三元化合物） InGaAsP （四元化合物）GaN材料體系 GaN、AlNMgZnSSe材料體系 ZnSe、ZnS ZnSSe表7.

6、1 InGaAsP材料體系主要參數(shù)半導(dǎo)體材料禁帶寬度eV對應(yīng)的波長m折射率備注GaAs1.420.8710.62LDAl0.03Ga0.97As1.460.8510.61850nmAl0.47Ga0.53As1.830.683.47LDInP1.350.923.40In0.76Ga0.24As0.55P0.450.951.303.511310 nmLDIn0.65Ga0.35As0.79P0.210.801.553.541550 nm LDIn0.47Ga0.53As0.751.673.56長波長PD/APD表7.2 纖鋅礦型GaN、AlN材料體系主要特性特性GaNAlN禁帶寬度eV3.39（

7、T=300K）3.50（T=1.6K）7.2（T=300K）7.28（T=1.6K）晶格常數(shù)（）a=3.189c=5.185a=3.112c=4.982熱膨脹系數(shù)(K-1)(T=300K)a/a=5.5910-6c/c=3.1710-6a/a=4.210-6c/c=5.310-6熱導(dǎo)率(W/cm*K)1.32.0折射率n(1eV)=2.23n(3.38eV)=2.67n=2.15介電常數(shù)8.98.5 相的GaN為直接帶隙半導(dǎo)體，Eg=3.39eV InxGa1-xN的Eg=1.953.39eV； AlxGa1-xN的Eg=3.397.28eV；均為直接帶隙半導(dǎo)體材料。是紫外LED、LD的主要材

8、料。 主要問題：襯底材料為Al203（藍(lán)寶石）和SiC，異質(zhì)外延生長高的缺陷密度缺乏解理面（國家“863”計劃VCSEL） InGaN/GaN量子阱的發(fā)光機理不清，熱電、壓電 等理論和實驗均有許多問題有待解決表7.3 閃鋅礦型GaN、AlN材料體系主要特性特性GaNAlN禁帶寬度（eV）（T=300K）3.23.35.11（理論值）晶格常數(shù)（）4.524.33（理論值）折射率n=2.57.3 介質(zhì)材料（dielectric material ） 介質(zhì)材料-介電常數(shù)比較高的材料，可分為微波介質(zhì)材料、光學(xué)介質(zhì)材料；按材料的狀態(tài)和性質(zhì)分為光學(xué)晶體、光學(xué)玻璃 等 光學(xué)晶體材料：具有非常突出的電光或者聲

9、光、熱光、磁光等性能，特別適合于光開關(guān)、光調(diào)制器、耦合器等器件 常用的包括： -LiNbO3和LiTaO3晶體 -ZnO晶體LiNbO3和LiTaO3晶體 屬于3m點群的負(fù)單軸晶體 LiNbO3很高的電光 LiNbO3很高的聲光系數(shù)和最小的聲衰減系數(shù)（0.05dB/cm） 容易制出光、聲兩波場重疊系數(shù)很高的光波導(dǎo)和聲波導(dǎo)，提高聲光器件的效率 短波長強光密度下容易出現(xiàn)“光損傷” 耐熱沖擊性能差，加工困難6.1 典型材料與制作技術(shù) 用于制作波導(dǎo)的不同材料，需要不同的制作技術(shù)。 材料與制作方法的選擇需遵循下述原則： 波導(dǎo)層厚度和折射率的誤差要小且均勻； 傳輸損耗小，即光學(xué)透明度好，表面凹凸小，光學(xué)散

10、射少； 在晶體情況下，純度和光軸符合要求； 強度大，與襯底附著性好； 工藝重復(fù)性好。各種制作方法特點 旋轉(zhuǎn)甩涂法：將高分子材料溶于溶劑做成粘稠的液體，把少量的液滴滴在襯底上，通過襯底的高速旋轉(zhuǎn)而得到薄膜。 浸漬涂敷法：將高分子材料溶于溶劑做成粘稠的液體，把襯底浸入這種溶液中，然后將襯底提起，從而在襯底表面附著一層薄膜。 上述兩種方法制作工藝最簡單，成本最低，但是薄膜的純度和均勻性也比較低。 加熱蒸發(fā)淀積法：在高真空狀態(tài)下，將蒸發(fā)材料加熱使之蒸發(fā)，蒸汽分子到達(dá)襯底表面淀積下來，形成薄膜，所以該方法也稱為真空蒸發(fā)鍍膜法。隨著蒸發(fā)的材料不同，加熱的方法也不同。通常，低熔點的材料采用電阻加熱蒸發(fā)法，高

11、熔點的材料采用電子束加熱蒸發(fā)法。 濺射法：使濺射氣體（一般為惰性氣體）通過放電而等離子化，位于等離子體中的靶材由于正離子的轟擊，靶材的原子被打出，這些原子淀積在襯底上而形成薄膜。 濺射法特別適用于難于用加熱蒸發(fā)淀積法制作薄膜的高熔點材料。 上述濺射法中采用的是不與靶材發(fā)生反應(yīng)的惰性氣體作為濺射氣體，如果改用能夠與靶材發(fā)生反應(yīng)的氣體作為濺射氣體，就會得到二者的化合物薄膜，稱為反應(yīng)濺射法。 化學(xué)氣相沉積法（CVD）：以某種氣體為原料，通過化學(xué)反應(yīng)，在襯底上淀積薄膜。 聚合法：將單體在真空中加熱使之蒸發(fā)，同時通過加熱、電子束照射、紫外線照射或者等離子體照射的方法，使單體蒸汽在襯底表面淀積下來并且聚合形成薄膜。 熱擴(kuò)散法：先將需要進(jìn)行熱擴(kuò)散的材料淀積在襯底的表面，然后放入高溫爐中，使淀積材料擴(kuò)散進(jìn)襯底中，在襯底表面形成一層折射率略高的擴(kuò)散層。擴(kuò)散材料隨縱向深度的濃度分布是從大到小的平滑分布，又稱為內(nèi)擴(kuò)散。 與內(nèi)擴(kuò)散法相對應(yīng)的是外擴(kuò)散法。外擴(kuò)散法是將襯底加熱，使襯底內(nèi)部的