集成光学器件的材料

1、第七章四节 集成光学器件的材料 集成光学是以光的形式发射、调制、控制、和接收信号，集光信号的处理功能为一身的新一代集成光学器件。 其最终目的是代替目前的电子通信手段，实现全光通讯。 光子集成用材料的共同要求 包括无源器件和有源器件的集成 共同要求 要易于形成质量良好的光波导，满足器件功能要求；包括：易于实现光波导；在给定波长范围内损耗1dB/cm 集成性能良好，即在同一衬底上可以制备出尽可能多的不同功能的器件；包括制作有源器件的带隙宽度、阈值等，电/光器件的兼容性等-目前最大的困难 材料本身和加工的经济性半导体材料 是目前唯一可以同时制作光子有源器件、电子有源器件、光子无源器件的材料 但对于某

2、些特性不是最佳 分为：间接带隙半导体材料直接带隙半导体材料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)间接带隙半导体材料直接带隙半导体材料光子与半导体作用遵循光子与半导体作用遵循能量守恒：能量守恒：动量守恒：动量守恒：p pk

4、 k cvEEh0ehkk电子波矢k=2/ 间接带隙半导体材料-Si 优势 硅片尺寸大（12）、质量高、价格低、机械性能好、加工方便 平面硅工艺是目前最重要的IC工艺，最成熟 具有诸如电光等效应、波导损耗低、可制作光检波器件 问题-作为光源量子效率太低，载流子迁移速度低 用途 混合集成的衬底-硅基集成光子学！ 光波导及光波导器件（光分波/合波器件，） 热光/电光器件（调制器、开关，）SOI光波导 (Silicon-on-Insulator, 绝缘体上硅) SOI-低功耗、高速CMOS器件的基本材料，被称为“二十一世纪的硅基础电路技术”。也具备许多优越的光学特性，比如低损耗(在光通信波段)、高折

5、射率差，这使得它不但能用来制作灵巧紧凑的光集成器件，也为利用CMOS微电子工艺实现光电集成提供了一个很好的平台。SOI材料中作为波导芯层的硅折射率很大，与作为包层的SiO2之间有很大的折射率差 SOI光波导特点可以将SiO2包覆层做的很薄（小于1微米），便于OEIC工艺的实现具有抗核辐射能力，在空间和军工应用广泛单模波导损耗可以很低，适合制作无源器件直接带隙半导体材料InGaAsP材料体系（-族为主） GaAs、InP（二元化合物） InGaAs、AlGaAs （三元化合物） InGaAsP （四元化合物）GaN材料体系 GaN、AlNMgZnSSe材料体系 ZnSe、ZnS ZnSSe表7.

6、1 InGaAsP材料体系主要参数半导体材料禁带宽度eV对应的波长m折射率备注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长波长PD/APD表7.2 纤锌矿型GaN、AlN材料体系主要特性特性GaNAlN禁带宽度eV3.39（

7、T=300K）3.50（T=1.6K）7.2（T=300K）7.28（T=1.6K）晶格常数（）a=3.189c=5.185a=3.112c=4.982热膨胀系数(K-1)(T=300K)a/a=5.5910-6c/c=3.1710-6a/a=4.210-6c/c=5.310-6热导率(W/cm*K)1.32.0折射率n(1eV)=2.23n(3.38eV)=2.67n=2.15介电常数8.98.5 相的GaN为直接带隙半导体，Eg=3.39eV InxGa1-xN的Eg=1.953.39eV； AlxGa1-xN的Eg=3.397.28eV；均为直接带隙半导体材料。是紫外LED、LD的主要材

8、料。 主要问题：衬底材料为Al203（蓝宝石）和SiC，异质外延生长高的缺陷密度缺乏解理面（国家“863”计划VCSEL） InGaN/GaN量子阱的发光机理不清，热电、压电 等理论和实验均有许多问题有待解决表7.3 闪锌矿型GaN、AlN材料体系主要特性特性GaNAlN禁带宽度（eV）（T=300K）3.23.35.11（理论值）晶格常数（）4.524.33（理论值）折射率n=2.57.3 介质材料（dielectric material ） 介质材料-介电常数比较高的材料，可分为微波介质材料、光学介质材料；按材料的状态和性质分为光学晶体、光学玻璃 等 光学晶体材料：具有非常突出的电光或者声

9、光、热光、磁光等性能，特别适合于光开关、光调制器、耦合器等器件 常用的包括： -LiNbO3和LiTaO3晶体 -ZnO晶体LiNbO3和LiTaO3晶体 属于3m点群的负单轴晶体 LiNbO3很高的电光 LiNbO3很高的声光系数和最小的声衰减系数（0.05dB/cm） 容易制出光、声两波场重叠系数很高的光波导和声波导，提高声光器件的效率 短波长强光密度下容易出现“光损伤” 耐热冲击性能差，加工困难6.1 典型材料与制作技术 用于制作波导的不同材料，需要不同的制作技术。 材料与制作方法的选择需遵循下述原则： 波导层厚度和折射率的误差要小且均匀； 传输损耗小，即光学透明度好，表面凹凸小，光学散

10、射少； 在晶体情况下，纯度和光轴符合要求； 强度大，与衬底附着性好； 工艺重复性好。各种制作方法特点 旋转甩涂法：将高分子材料溶于溶剂做成粘稠的液体，把少量的液滴滴在衬底上，通过衬底的高速旋转而得到薄膜。 浸渍涂敷法：将高分子材料溶于溶剂做成粘稠的液体，把衬底浸入这种溶液中，然后将衬底提起，从而在衬底表面附着一层薄膜。 上述两种方法制作工艺最简单，成本最低，但是薄膜的纯度和均匀性也比较低。 加热蒸发淀积法：在高真空状态下，将蒸发材料加热使之蒸发，蒸汽分子到达衬底表面淀积下来，形成薄膜，所以该方法也称为真空蒸发镀膜法。随着蒸发的材料不同，加热的方法也不同。通常，低熔点的材料采用电阻加热蒸发法，高

11、熔点的材料采用电子束加热蒸发法。 溅射法：使溅射气体（一般为惰性气体）通过放电而等离子化，位于等离子体中的靶材由于正离子的轰击，靶材的原子被打出，这些原子淀积在衬底上而形成薄膜。 溅射法特别适用于难于用加热蒸发淀积法制作薄膜的高熔点材料。 上述溅射法中采用的是不与靶材发生反应的惰性气体作为溅射气体，如果改用能够与靶材发生反应的气体作为溅射气体，就会得到二者的化合物薄膜，称为反应溅射法。 化学气相沉积法（CVD）：以某种气体为原料，通过化学反应，在衬底上淀积薄膜。 聚合法：将单体在真空中加热使之蒸发，同时通过加热、电子束照射、紫外线照射或者等离子体照射的方法，使单体蒸汽在衬底表面淀积下来并且聚合形成薄膜。 热扩散法：先将需要进行热扩散的材料淀积在衬底的表面，然后放入高温炉中，使淀积材料扩散进衬底中，在衬底表面形成一层折射率略高的扩散层。扩散材料随纵向深度的浓度分布是从大到小的平滑分布，又称为内扩散。 与内扩散法相对应的是外扩散法。外扩散法是将衬底加热，使衬底内部的