集成光學(xué)器件的材料.ppt

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(shí)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(shí)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 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)體作用遵循能量守恒 動量守恒 p k 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(jī)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(shí)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(diǎn) 可以將SiO2包覆層做的很薄 小于1微米 便于OEIC工藝的實(shí)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 ZnSZnSSe 表7 1InGaAsP材料體系主要參數(shù) 表7 2纖鋅礦型GaN AlN材料體系主要特性 相的GaN為直接帶隙半導(dǎo)體 Eg 3 39eVInxGa1 xN的Eg 1 95 3 39eV AlxGa1 xN的Eg 3 39 7 28eV 均為直接帶隙半導(dǎo)體材料 是紫外LED LD的主要材料 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(jī)理不清 熱電 壓電等理論和實(shí)驗(yàn)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 7 3介質(zhì)材料 dielectricmaterial 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(diǎn)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(qiáng)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)散射少 在晶體情況下 純度和光軸符合要求 強(qiáng)度大 與襯底附著性好 工藝重復(fù)性好 各種制作方法特點(diǎn) 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(diǎn)的材料采用電阻加熱蒸發(fā)法 高熔點(diǎn)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(diǎn)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)部的物質(zhì)往外部擴(kuò)散出去 以制作高折射率層 離子交換法 將襯底浸入某種溶液中 通過襯底中的離子與溶液中的離子之間的交換 在襯底的表面附近制作高折射率的方法 離子注入法 將離子加速注入襯底引起