第七章集成光學(xué)器件材料

第七章集成光學(xué)器件材料目錄7.1光子集成用材料的共同要求7.2半導(dǎo)體材料7.2.1間接帶隙半導(dǎo)體材料7.2.2直接帶隙半導(dǎo)體材料7.3介質(zhì)材料7.3.1LiNbO3和LiTaO3晶體7.3.2ZnO晶體7.4聚合物材料和玻璃材料7.4.1聚合物材料7.4.2玻璃材料7.5磁性材料7.1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)濟性7.2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：7.2.1間接帶隙半導(dǎo)體材料7.2.2直接帶隙半導(dǎo)體材料7.2.1間接帶隙半導(dǎo)體材料7.2.2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/

7.2.1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)?。。」獠▽?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7.2.2直接帶隙半導(dǎo)體材料InGaAsP材料體系（Ⅲ-Ⅴ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)半導(dǎo)體材料禁帶寬度eV對應(yīng)的波長m折射率備注GaAs1.420.8710.62LDAl0.03Ga0.97As1.460.8510.61850nmAl0.47Ga0.53As1.830.683.47LDInP1.350.923.40In0.76Ga0.24As0.55P0.450.951.303.511310nmLDIn0.65Ga0.35As0.79P0.210.801.553.541550nmLDIn0.47Ga0.53As0.751.673.56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（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=5.59×10-6△c/c=3.17×10-6△a/a=4.2×10-6△c/c=5.3×10-6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=3.39eVInxGa1-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）3.2~3.35.11（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（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7.3.1LiNbO3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7.3.2ZnO晶體具有優(yōu)良的壓電特性，同時具有很強的電光系數(shù)、很大的非線性光學(xué)效應(yīng)容易制成薄膜制作工藝：玻璃、熔融石英、SiO2/Si等非晶材料為襯底濺射ZnO薄膜藍寶石襯底上外延7.4聚合物材料和玻璃材料（無定形材料）7.4.1聚合物材料主要材料包括：聚異丁烯酸甲酯（PMMA)、環(huán)氧樹脂（expoxy)、苯丙環(huán)丁烯（benzocy-clobutene，BCB)、氟化聚酰亞胺（polyimide）、聚碳酸酯（polycarborates，PC）物理特性：電光和熱光特點：價格低，制作簡單可以淀積在半導(dǎo)體襯底上，易于實現(xiàn)混合集成光波導(dǎo)損耗低、與光纖的耦合損耗也低可以有效利用折射率的變化獲得強度和相位的調(diào)制通過調(diào)節(jié)有機材料組份以強化電光或聲光特性7.4.2玻璃材料熔融石英(SiO2)是最常用的波導(dǎo)材料工藝：離子交換法火焰水解淀積(FHD)生長模層、光刻和反應(yīng)離子刻蝕形成波導(dǎo)襯底：Si單晶玻璃與SOI相比制作簡單改變材料結(jié)構(gòu)容易熱穩(wěn)定性好典型產(chǎn)品：多路耦合器7.5磁性材料典型體材料---釔鐵石榴石YIG（Y3Fe5O12