硅基微腔器件的理论与测试研究---优秀毕业论文参考文献可复制黏贴.pdf

分类号 学号 m200972948 学校代码 10487 密级 硕士学位论文 硅基微腔硅基微腔器件的器件的理论理论与与测试测试研究研究 学位申请人 袁韬努 学科专业 物理电子学 指导教师 汪毅副教授 答辩日期 2011 12 30 a dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering theoretical and experimental research on devices with the silicon based microcavity candidate yuan taonu major physical electronics supervisor assoc prof wang yi huazhong university of science 3000 50s 3 308 2 500 15s 4000 50s 2 581 3 500 15s 5000 50s 2 569 4 500 15s 6000 50s 2 165 5 500 15s 7000 50s 2 054 2 测量 bcb 胶的平整度 在预键合之前 我们需要了解 bcb 胶层表面的平整度情况 表面的平整度差会 导致键合界面空位增加 气泡数增加 最终会降低键合的质量 测量的方法也是利 用台阶仪的探针扫描涂有 bcb 胶的晶片的表面 通过表面的起伏来确定 bcb 胶的 平整度 测量的结果如图 4 2 所示 图 4 2 bcb表面平整度测量结果 图中所得到的结果是由台阶仪测得的 其中判定表面平整度好坏的数据是 rq 它是所测量区域的所有数值的方差之和 当小于 1nm时 说明表面平整度很好 3 bcb 胶的透过率测试和分析 采用的仪器是傅里叶变换红外 拉曼光谱仪 测试原理及方法 首先 对没有 bcb 胶的测试基片 溴化钾晶片 进行光谱 全波段透过率 测试 然后 将 bcb 胶 涂在基片上 再进行光谱测试 将这两个光谱进行差减 得到的即是 bcb 胶的透 射光谱 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 41 我们分别测量了 bcb 胶热烘前和热烘后的光谱图结果如图 4 3 和 4 4 所示 a b 图 4 3 热烘前 bcb胶的光谱 a 全波段光谱 b 1500 1600nm 波段光谱 a b 图 4 4 热烘后 bcb胶的光谱 a 全波段光谱 b 1500 1600nm 波段光谱 由图 4 3 和图 4 4 中的结果可以看出 热烘前后 此 bcb 胶在通信用波段 1550 nm附近透光性能都很好 透过率高 且光谱平坦 适合用在键合中 特别是热烘 之后 透过率高 且光谱平整度好 这正是我们在键合中所需要的 另外 我们看到 光谱中有的部分透过率超过了 1 这是因为开始在基片上选 取的测试点和后来涂胶之后的测试点不是同一点 由于基片的局部厚度和洁净度的 差别 可能会在相减之后有透过率超过 1 的部分 但是这不影响 bcb 胶整体的透 过率情况 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 42 3 键合强度拉力测试 利用前文提到的拉力测试方法来测试键合强度 测试方法是利用特定的胶水将 键合好的样品粘贴置于拉力测试仪器的夹具中 然后利用电脑控制夹具两边的拉力 使拉力随着时间慢慢增大 同时记录此时的拉力和夹具之间的位移变化量 如此直 至将键合好的样品完全拉开 最后测试得到的最大拉力为 185 992n 而此时的样品 尺寸为1 1 因此利用压强公式计算键合强度为 1 82mpa 4 键合断面形貌 经过一系列的工艺步骤后 我们将键合好的片子解理 首先通过金相显微镜测 试得到断面的初步图像 测试结果如图 4 5 所示 从图中 可以看到中间键合层的 厚度在 1 5 左右 且键合界面平坦无空位 这是因为金相显微镜的最小分辨率为 1 因此 当测试微米尺寸的结构时 存在较大的误差 且测试的厚度是根据在 两点之间的连线来测试得到的 因此 在选取点时不可以避免的会产生误差 图 4 5 金相显微镜显示的键合断面图像 为了进一步的得到键合断面的精确图像 我们使用场发射扫描电子显微镜去扫 描键合断面处的情况 扫描结果如图 4 6 所示 从图 4 6 中可以看到 bcb 中间层 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 43 的平整性十分良好 且厚度在 2 5 m左右 通过增加键合时的压力和加快旋涂 bcb 胶的速度 可以进一步减少这个厚度 图 4 6 bcb键合界面的场发射扫描电镜图像 当键合的衬底晶片上面刻有图 4 1 中所示器件结构时 经过一系列的键合工艺 后 将键合好的样品断开 将断面放在金相显微镜下扫描得到的结果如图 4 7 所示 中间缺陷处的厚度在 1 5 m左右 图 4 7 衬底具有结构的键合样品金相显微镜扫描图像 中间为 bcb材料 上下均是硅片 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 44 使用场发射扫描电子显微镜扫描衬底带有光栅结构的键合样品 扫描结果如图 4 8 所示 从图 4 8 的 b 图中可以看出 bcb 中间层的厚度为 1210 50nm 光栅 齿的高度为 441 94nm 光栅齿结构附近有一些突起 这是由于解理时 固化 bcb 胶和硅片的性质不同 因此造成的 bcb 胶的突起和翘曲 a b 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 45 图 4 8 衬底具有光栅结构的键合样品 sem 扫描图像 中间为光栅的一个齿 a 扫描的图 像 b 尺寸大小 4 3 本章小结本章小结 本章主要介绍硅基键合的基本理论背景 工艺流程和测试方法 首先分析了目 前流行的几种键合技术 并分析了它们的具体优劣所在 由于实验室的条件所限 目前在我们的实验室里主要采用 bcb 键合方法 接下来 介绍了 bcb 键合的详细 工艺流程 通过具体实验 熟悉了 bcb 键合工艺 掌握了该技术的工艺参数 最 后 通过实际测试 得到了 bcb 胶的透过率和平整度等性能参数 同时得到了 bcb 胶的厚度和旋涂速度之间的关系 最后利用金相显微镜和近场扫描显微镜测试得到 了硅 硅 bcb 中间层键合的样品图像 且进一步得到了衬底有光栅结构时的 bcb 中 间层键合的样品图像 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 46 5 总结总结 本文从研究了 maxwell 方程组出发 通过数值分析软件和物理场分析软件 使 用有限元分析方法 对微盘的物理特性进行了深入研究 得到了微盘结构的色散曲 线 物理场和品质因素 采用光纤垂直耦合的方法搭建了微盘的测试系统 熟悉了 光谱仪 激光器 光功率计等等光学测试仪器的使用 并利用该平台对光栅耦合器 进行测试 得到了较好的结果 最后 研究了硅基键合工艺 本论文的主要工作重 点分为下面几个方面 1 分析了半径分别为 1 m 和 5 m 厚度为 220nm 的硅基微盘结构的模式特 性 并用数值分析软件模拟得到了微盘结构在 te 模式和 tm 模式下得色散曲线和 有效折射率曲线 同时 采用专业的物理场模拟软件模拟了微盘的模式 计算得到 了微盘的品质因素和模式体积 并把模拟结果和数值软件模拟的结果进行了比较 验证了模拟的正确性 2 分析了在表面等离子体硅基微盘的特殊物理性质 并模拟得到了它的物 理场 验证了表面等离子体效应的存在 表面等离子体微盘的模式体积比普通微盘 的模式小 光场更加集中 并得到了表面等离子体微盘的 q 值和模式体积等性能参 数 3 采用光纤耦合测试的方法对光栅耦合器结构进行了测试 得到光栅耦合 器的效率大于 39 4 搭建了光纤耦合自动化测试平台 实现了电脑和测试仪器之间的远程控 制 编写了波长自动扫描程序和光纤自动对准程序 利用该平台对光栅耦合器进行 进一步的测试 得到了光栅耦合器的微环结构发生谐振时的输出光谱 分析得到微 环的 fsr 为 3nm q 值约为 8000 5 掌握了 bcb 中间层键合工艺 测试了 bcb 的透过率 平整度等参数 利用 bcb 中间层键合实现了硅 硅键合 在硅 硅键合的基础上实现了硅片和有光栅 结构的硅片之间的键合 测试得到键合的强度为 1 82mpa 并得到了键合样品中间 层的厚度和形貌 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 47 致致 谢谢 时光如逝 两年半的研究生生涯即将走入尾声 在这两年多的时间 我经历了 许许多多的失败 挫折 喜悦和成功 也正是这些经历成就了现在的我 在这个过 程中 很多的老师 朋友 亲人给了我很大的帮助和支持 因此 请容我在这里表 达对您们的敬意和感谢 特别需要感谢的是我的导师汪毅老师 在硕士攻读期间 是汪老师的谆谆教诲 使我从一个对光电一无所知的数学系学生 慢慢进入光电这门前沿科学 并对整个 领域有了一个全面的了解 在科研中 他教会了我对于一个科研问题 该从哪方面 入手 并且竭尽所能的利用现有的条件 完成我们的科研目标 在生活中 汪老师 给了我很多的关心和帮助 同时给了我积极乐观的生活态度 最后 让我在这里致 以诚挚的敬意 您的教诲 我将时刻铭记在心 感谢硅基光子学团队的老师们 余金中教授 张新亮教授 夏金松教授 郜定 山副教授和黄庆忠博士后 感谢您们在科研工作中对我的细心指导 让我对科研有 了进一步的认识 解决了我在科研中遇到的很多疑惑和困难 感谢师姐邵士茜和师兄施祖军 感谢师弟石瑀 刘学文 黄钊 感谢 f212 的刘 元 蒋红 周许 陆婷婷 鲍昌晶 感谢硅基光子学团队的所有成员 有你们 生 活不再单调乏味 不再寂寞冷清 感谢你们的陪伴 感谢你们的鼓励和支持 感谢我的父亲和母亲 为了我的学费 您们起早贪黑 日夜辛劳 您们的身影 却显得日益蹒跚 这么多年来 您们默默的支持着我 关心着我 鼓励着我 你们 的关心和支持 让我能全心全意的投入到学习当中 也让我生活充满了信心 感谢华中科技大学 在这里 我度过了我的大学岁月和研究生生涯 也度过了 我的青春岁月 最后 向论文评审老师和答辩委员会全体老师表示深深的敬意 袁韬努 2011 年 12 月于华中科技大学 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 48 参考文献参考文献 1 s l mccall a f j levi r e slusher et al whispering gallery mode microdisk lasers appl phys lett 1992 60 289 291 2 a f j levi r e slusher s l mccall et al temperature operation of microdisk lasers with sub milliamp threshold current electron lett 1992 28 1010 1012 3 m fujita k inoshita and t baba room temperature continuous wave lasing characteristics of gainasp inp microdisk injection laser electron lett 1998 34 278 279 4 s m k thiyagarajan a f j levi c k lin et al continuous room temperature operation of optically pumped ingaas ingaasp microdisk lasers electron lett 1998 34 2333 2334 5 m fujita r ushigome t baba continuous wave lasing in gainasp microdisk injection laser with threshold current of 40 a electron lett 2000 36 790 791 6 j faist c gmachl marinella striccoli et al quantum cascade disk lasers appl phys lett 1996 69 2456 2458 7 s gianordoli l hvozdara g strasser et al gaas algaas based microcylinder lasers emitting at 10 m appl phys lett 1999 75 1045 1047 8 h cao j y xu w h xiang et al optically pumped inas quantum dot microdisk lasers appl phys lett 2000 76 3519 3521 9 e d haberer r sharma c meier et al free standing optically pumped gan ingan microdisk lasers fabricated by photo electrochemical etching appl phys lett 2004 85 5179 5181 10 a f j levi r e slusher s l mccall et al directional light coupling from microdisk lasers appl phys lett 1993 62 561 563 11 e s hosseini s yegnanarayanan a h atabaki et al high quality planar silicon nitride microdisk resonators for integrated photonics in the visible wavelength range opt express 2009 17 17 14543 14551 12 t j kippenberg k j vahala et al demonstration of an erbium doped microdisk laser on a silicon chip phys rev a 2006 74 051802 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 49 13 mohammad soltani siva yegnanarayanan ali adibi ultra high q planar silicon microdisk resonators for chip scale silicon photonics opt express 2007 15 8 4694 4704 14 j v campenhount liu liu a compact soi integrated multiwavelength laser source based on cascaded inp microdisks photonics technology letters 2008 20 16 1345 1347 15 k srinivasan m borselli t j johnson et al optical loss and lasing characteristics of high quality factor algaas microdisk resonators with embedded quantum dots appl phys lett 2005 86 151106 16 k srinivasan a stintz s krishna and o painter photoluminescence measurements of quantum dot containing semiconductor microdisk resonators using optical fiber taper waveguides phys rev b 2005 72 205318 17 k srinivasan m borselli o painter et al cavity q mode volume and lasing threshold in small diameter algaas microdisks with embedded quantum dots opt express 2006 14 3 1094 1105 18 郭硕鸿 电动力学 第三版 北京 高等教育出版社 2008 14 18 19 matthew borselli thomas j johnson oskar painter beyond the rayleigh scattering limit in high q silicon microdisks theory and experiment opt express 2005 13 5 1515 1530 20 matthew borselli high q microresonators as lasing elements for silicon photonics ph d paper california university california institute of technology 2006 21 bumki min eric ostby volker sorger et al high q surface plasmon polariton whispering gallery microcavity nature 2009 457 22 455 458 22 r perehia t p mayer alegre a h safavi naeini et al surface plasmon mode hybridization in subwavelength microdisk lasers appl phys lett 2009 95 201114 23 陈曜 微纳光学环腔生物传感芯片的制备研究 博士学位论文 武汉 华中 科技大学 2009 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 50 24 邵士茜 硅基集成光栅耦合器及其偏振无关特性研究 硕士学位论文 武汉 华中科技大学 2011 25 韩伟华 余金中 王启明 硅基键合激光器的研究进展 半导体光电 2000 21 2 77 79 26 李传波 黄昌俊 成步文等 1 55 m si 基光电探测器的研究进展 半导体光 电 2003 24 2 79 3 27 于丽娟 赵洪泉 杜云等 硅基键合 inp ingaasp 量子阱连续激光器的研制 半导体学报 2007 28 7 1117 120 28 李宁 韩彦军 郝智彪等 inp 材料直接键合技术 半导体学报 2001 22 9 1217 1221 29 donato pasquariello klas hjort plasma assisted inp to si low temperature wafer bonding journal on selected topics in quantum electronics 2002 8 1 118 131 30 d liang j e bowers highly efficient vertical out gassing channels for low temperature inp to silicon direct bonding on the silicon on insulator substrate american vacuum society 2008 26 4 1071 1023 31 g nther roelkens liu liu di liang et al iii v silicon photonics for on chip and intra chip optical interconnects laser photon rev 2010 4 6 751 779 32 di liang alexander w fang hyundai park et al low temperature strong sio2 sio2 covalent wafer bonding for iii v compound semiconductors to silicon photonic integrated circuits electronic materials 2008 37 10 1552 1558 33 黄伟平 曾钫 赵建青等 低介电常数高分子材料 合成材料老化与应用 2008 37 2 39 44 34 f niklaus g stemme j q lu et al adhesive wafer bonding journal of applied physics 2006 99 031101 35 joost brouckaert gunther roelkens et al integration of inp ingaasp photodetectors onto silicon on insulator waveguide circuits opt express 2005 13 25 10102 10108 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 51 36 j v campenhout p rojo romeo et al electrically pumped inp based microdisk lasers integrated with a nanophotonic silicon on insulator waveguide circuit opt express 2007 15 11 6744 6749 37 joost brouckaert gunther roelkens dries van thourhout et al compact inalas ingaas metal semiconductor metal photodetectors integrated on silicon on i