集成光電子器件及設(shè)計(jì)-集成光學(xué)的材料

第五章

集成光學(xué)的材料集成光電子器件及設(shè)計(jì)2Outline半導(dǎo)體材料:

III‐V,

IV,

etc.玻璃聚合物材料磁性材料GaAs單晶BK7玻璃Ge單晶LiNbO3

單晶37.1

集成光學(xué)器件用材料共同要求易于形成高質(zhì)量光波導(dǎo)，

且可能滿足器件功能要求：在工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)，一般要求光波導(dǎo)損耗<1dB/cm

;

工藝性能好，易于實(shí)現(xiàn)：形成具有折射率差的芯層、薄層。易于功能集成（單片集成不同功能元件）。III‐V

族化合物半導(dǎo)體（包括三元、四元化合物）

材料，

可用于有源器件、無(wú)源器件，亦可實(shí)現(xiàn)與光功能器件相配置的驅(qū)動(dòng)、控制電子器件與集成電路。經(jīng)濟(jì)性，包括：材料本身經(jīng)濟(jì)性及加工經(jīng)濟(jì)性。這很大程度上決定了集成光學(xué)器件的實(shí)用性，如玻璃光波導(dǎo)。4無(wú)源光子器件材料特點(diǎn)包括陣列波導(dǎo)光柵、微環(huán)濾波器、光柵、耦合器等

低損耗：波導(dǎo)傳輸損耗、光纖‐波導(dǎo)耦合損耗、彎曲

損耗；

高集成度；5有源器件材料特點(diǎn)

發(fā)光器件、光放大器、光探測(cè)器

直接帶隙半導(dǎo)體（合適的帶隙能量，由工作波長(zhǎng)而定）；

芯層、包層材料折射率匹配；

與襯底晶格常數(shù)匹配；

低缺陷密度；6可調(diào)控光電子器件材料特點(diǎn)包括：可變光衰減器/光調(diào)制/光開(kāi)關(guān)、波長(zhǎng)變換器件(利用電光、熱光、聲光、磁光、光‐光等效應(yīng)）。

材料特點(diǎn)

具有相關(guān)效應(yīng)，且具有高效率、響應(yīng)速度快等；77.2.

半導(dǎo)體材料用于發(fā)光器件的III-V族半導(dǎo)體材料及可使用的波長(zhǎng)8纖鋅礦結(jié)構(gòu)

六方是自然界中優(yōu)美而奇妙的結(jié)構(gòu)（蜂巢和苯環(huán)）。而六

方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的材料，不僅展現(xiàn)出精美的微觀結(jié)構(gòu)，而且

具有強(qiáng)大的光電功能，因而成為近些年納米材料合成和性

能研究的熱點(diǎn)。

納米光電器件是人們期望最高、潛在市場(chǎng)最大的納米材料

和技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。半導(dǎo)體納米材料在納米光電器件中扮演

著核心角色。除去單質(zhì)的硅和鍺以及他們的合金，絕大多

數(shù)的半導(dǎo)體都是化合物，有趣的是，它們大多數(shù)都具有六

方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，如II‐VI族的ZnO，CdS以及III‐V族的GaN，

InP等。

對(duì)于這類化合物半導(dǎo)體納米材料的合成方法、形貌結(jié)構(gòu)以

及物理性能的研究是實(shí)現(xiàn)納米光電器件應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。

這一類化合物的結(jié)構(gòu)可以概括如下：屬于六方晶系，由陽(yáng)

離子和陰離子密置層沿c軸方向交替堆垛而成。

/lixg/cvd/AlN.htm9閃鋅礦型結(jié)構(gòu)(zinc

blende

structure,

cubic

β‐ZnS

structure

)

化合物有：亞銅的鹵化物，鈹?shù)?/p>

氧化物，硼、鋁、鎵和銦的磷化

物，砷化物和銻化物，以及碳化

硅；

單質(zhì)碳、單質(zhì)硅等。10

半導(dǎo)體光電子材料

直接帶隙：電子躍遷無(wú)需聲子參與（動(dòng)量守恒）；

間接帶隙：電子躍遷需要聲子參與（動(dòng)量守恒）

；1.

硅、

鍺(Ge)是間接帶隙半導(dǎo)體

的代表性材料:制作光源，但可

制作光探測(cè)器。2.

硅系器件主要用于短波長(zhǎng)帶光通信。用于光接收器件的半導(dǎo)體材料及使用波長(zhǎng)11間接帶隙半導(dǎo)體材料——硅(silicon)在集成微電子領(lǐng)域取得巨大成功。在光子領(lǐng)域?襯底材料。它的優(yōu)勢(shì)在于：

硅片尺寸大、質(zhì)量高、價(jià)格低、機(jī)械性能好、加工方便；加工工藝與傳統(tǒng)微電子工藝（CMOS）兼容，

適合低成本制作硅基光集成器件。CMOS（Complementary

Metal

Oxide

Semiconductor），互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體

硅光子學(xué)silicon

photonics12硅光子學(xué)(silicon

photonics)在光子領(lǐng)域，亦具備諸多獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：

超大透明窗口：從近紅外直至中紅外（低損耗）；超高折射率差Δ（Si/SiO2）：Δ~2.0

超小尺寸光子器件

超高集成度；CMOS工藝兼容：低成本、大規(guī)模生產(chǎn)（Intel、IBM積極介入）；應(yīng)用廣泛：光互連（超級(jí)計(jì)算機(jī)）、光傳感芯片等。此外，SOI

材料本身具有抗輻射能力，

能在空間和軍事上廣泛應(yīng)用。

Astronomical

Optics

And

Instrumentation,

Astrophotonics,

...13各種硅光子學(xué)光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)?熱光、電光可調(diào)控器件：14硅光子學(xué)(silicon

photonics)

?無(wú)源器件：

波分復(fù)用器

功分器微腔光接收

光發(fā)射如何解決？超低損耗、

超高集成度

硅熱光、電光效應(yīng)

熱光、電光開(kāi)關(guān)/調(diào)制

器。有源器件：

激光器：間接帶隙材料

發(fā)光效率低

調(diào)制器：晶格對(duì)稱性

無(wú)一階電光效應(yīng)

光電探測(cè)器：在λ>1.1μm范圍透明15

解決方案：

借助于直接帶隙材料

——Hybrid

integration

Si

+

III‐V

激光器、調(diào)制器、探測(cè)器等

(UCSB、Ghent

Univ).?

Si

+

Ge

激光器、調(diào)制器、探測(cè)器

(Intel,

IBM,

MIT).性質(zhì)SiGe‐33密度(10kg/cm)2.3285.3267晶格常數(shù)(nm)0.5430890.565754熔點(diǎn)1420941折射率3.4223(@5μm)4.0170(@4.87

μm)本征載流子濃度3(1/cm)101.5×10132.4×10本征電阻率(Ωcm)52.3×1050電子遷移率2(cm/V?s)13503900空穴遷移率2(cm/V?s)5001900載流子壽命(μs)13042×10禁帶寬度(eV)溫度系數(shù)‐4(10eV/K)1.119‐2.80.6643,

0.80‐3.9電子親和能(eV)4.054.13功函數(shù)(eV)4.64.8016鍺(Ge)與硅相比，鍺具有更高的載流子遷移率。帶隙更小，在1.3‐1.5μm具有更好的吸收，可用于紅外探測(cè)器件。與廣泛應(yīng)用的硅工藝有良好的兼容性。與硅的晶格常數(shù)相比（5.4315

?），鍺（5.6575

?）更接近于GaAs（5.6533

?），可以用作III‐V族半導(dǎo)體與硅工藝相兼容的緩沖層材料。半導(dǎo)體材料帶隙能/eV禁帶寬度(μm)折射率GaAs1.420.873.62Al0.03Ga0.97As1.460.853.61Al0.47Ga0.53As1.830.683.47InP1.350.923.40In0.76Ga0.24As0.55P0.450.951.303.51In0.65Ga0.35As0.79P0.21In0.47Ga0.53As0.800.751.551.673.543.5617直接帶隙半導(dǎo)體:III‐V族InGaAsP體系

可實(shí)現(xiàn)光源、光放大器和光探測(cè)器等，便于光電子集成或全光集

成，且

具有電光效應(yīng)和非線性光學(xué)效應(yīng)；

InP、GaAs及三元、四元化合物半導(dǎo)體系列是唯一能在同一襯底上實(shí)

現(xiàn)從光源到探測(cè)器的整個(gè)集成光路材料。18GaAsGaAs襯底：成本較低、易于實(shí)現(xiàn)大直徑晶圓，

且可具備成熟的GaAs

集成電路工藝技術(shù)。

是制作激光器的理想襯底材料，尤其是光通信短波長(zhǎng)單片集成器件（也可用于長(zhǎng)波長(zhǎng)器件襯底）。其高遷移率

高速電子器件和光集成、復(fù)合光電子集成器件。存在問(wèn)題：抑制晶格滑移的應(yīng)力比硅小得多，難以降低晶體位錯(cuò)密度。為阻止位錯(cuò)產(chǎn)生和增殖：（1）一般采用很小的密度梯度來(lái)生長(zhǎng)晶體；（2）在GaAs

中摻入等價(jià)電子介質(zhì)(

In)來(lái)提高晶格滑移的臨界屈服應(yīng)力。對(duì)于0.8μm

左右的短波長(zhǎng)：在GaAs

襯底上生長(zhǎng)晶格匹配的AlxGa1‐xAs

三元混晶；對(duì)于~1.3/1.5μm

的長(zhǎng)波長(zhǎng)：InP

襯底上生長(zhǎng)晶格匹配的InxGa1‐xAsy

P1‐y四元混晶。注：在這些半導(dǎo)體材料中，

改變組成元素的比例x

和y

，

可以得到比有源層禁帶寬度大的覆蓋層用的半導(dǎo)體材料。性質(zhì)GaAsInP‐33密度(10kg/cm)5.3074.787晶體結(jié)構(gòu)閃鋅礦閃鋅礦晶格常數(shù)(nm)0.5653250.586875熔點(diǎn)12381070折射率4.025(@0.546μm)3.45(@0.59

μm)介電常數(shù)13.1812.35電子遷移率2(cm/V?s)80003000空穴遷移率2(cm/V?s)100‐3000150載流子壽命(μs)‐310禁帶寬度(eV)‐溫度系數(shù)(104eV/K)1.424‐3.952.25(I),

1.34(D)‐2.9(D)電子親和能(eV)4.074.40功函數(shù)(eV)4.714.6519InP

更高擊穿電壓、更高熱導(dǎo)率及

電子遷移率；

制作長(zhǎng)波長(zhǎng)段單片集成器件的

理想襯底材料；

GaAs‐InP晶格失配異質(zhì)結(jié)材料

InGaAsP。

GaAs

&

InP半導(dǎo)體材料帶隙能/eV禁帶寬度(μm)折射率GaAs1.420.873.62Al0.03Ga0.97As1.460.853.61Al0.47Ga0.53As1.830.683.47InP1.350.923.40In0.76Ga0.24As0.55P0.450.951.303.51In0.65Ga0.35As0.79P0.210.801.553.54In0.47Ga0.53As0.751.673.56GaAs

&

InPGaAs‐InP

材料質(zhì)量決定了器件性能。根據(jù)晶體生長(zhǎng)機(jī)理，

晶格失配的外延層材料GaAs‐InP的晶體會(huì)發(fā)生晶格失配（約3.8%），而使外延層中產(chǎn)生高密度位錯(cuò)。為了防止在InP

襯底上直接生長(zhǎng)GaAs

外延層時(shí)引起的較大失配位錯(cuò)，

一般采取在外延生長(zhǎng)之前，

首先在InP

襯底上生長(zhǎng)一層InP緩沖層和GaAs過(guò)渡層的方法。

20半導(dǎo)體材料GaNAlN帶隙能/eV3.39

(@300K),

3.50

(@1.6K)7.2

(@300K),

7.28

(@1.6K)晶格常數(shù)（0.1nm）a=3.189,c=5.185a=3.112,c=4.982‐1熱膨脹系數(shù)(K)

@300KΔa/a=5.59e‐6Δc/c=3.17e‐6Δa/a=4.2e‐6Δc/c=5.3e‐6熱導(dǎo)率（W／cm?K）1.32.0折射率n

(1eV)=2.23n(3.38eV)=2.672.15e/‐0.521III‐V

族氮化物:

GaN,

AlN

為六方晶系纖鋅礦結(jié)構(gòu)(α相)或立方晶系閃鋅礦結(jié)構(gòu)(β相)。

通常GaN呈纖鋅礦結(jié)構(gòu)。22三元化合物In1‐xGaxN

和Alx

Ga1‐x

N

Al

摻入GaN

改變其晶格常數(shù)，纖鋅礦GaN

和AlN

的晶格常數(shù)分別

為a=3.189?、a=3.112?，大約有2%

的失配。

In

摻入GaN

導(dǎo)致帶隙寬度減小，晶格常數(shù)增加。

屬直接帶隙半導(dǎo)體材料，禁帶寬度分別近似線性地從1.95eV

變到

3.39eV

和從3.39eV

變到7.28eV

，覆蓋了整個(gè)可見(jiàn)光到紫外光波段。

幾乎沒(méi)有其他材料體系能在可見(jiàn)到紫外波段如此寬的可調(diào)連續(xù)線

性變化的直接帶隙。

具有重要應(yīng)用，尤其是藍(lán)光到紫外波段，在光存儲(chǔ)、光通信、彩

色圖像顯示、軍事應(yīng)用和醫(yī)療設(shè)備等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。23GaN研究歷程(始于1930s)Johnson

等人首次制備了GaN

材料：采用金屬鎵和氨氣反應(yīng)，獲得GaN

小晶粒和粉末；1993年Leszczynski

等獲得了最大直徑為２mm

的針狀單晶。由于難以制備大尺寸的體GaN

單晶，

因此只能利用外延方法在合適襯底上異質(zhì)生長(zhǎng)GaN

薄膜。異質(zhì)外延襯底選擇基本原則：

結(jié)構(gòu)相似、

晶格失配小、

熱膨脹系數(shù)相近、在外延生長(zhǎng)溫度下熱穩(wěn)定性能好等。早期GaN

外延生長(zhǎng)多采用藍(lán)寶石(Al2O3)

作襯底，所生長(zhǎng)GaN

是纖鋅礦結(jié)構(gòu)。其后人們又廣泛研究了其他襯底材料，如Si

、GaAs

、SiC

、ZnO

、MgO

等。目前，GaN

的襯底材料通常采用藍(lán)寶石或SiC

（尤其是Al2O3

）。SiC

本身具有藍(lán)光發(fā)光特性，是低阻導(dǎo)電材料，晶格常數(shù)與熱膨脹系數(shù)與GaN

非常接近，

易解理，

但SiC

單晶價(jià)格非常昂貴。藍(lán)寶石制備工藝成熟，

價(jià)格較低，

在高溫下具有很好的穩(wěn)定性，

但是它不導(dǎo)電、解理困難、晶格常數(shù)/熱膨脹系數(shù)與GaN

相差較大。為解決晶格失配問(wèn)題，

可采用二步外延生長(zhǎng)法：在襯底上先淀積一層AlN

、ZnO

或GaN

多晶作為緩沖層。24GaN發(fā)展現(xiàn)狀

GaN具有寬禁帶、可形成異質(zhì)結(jié)、低表面復(fù)合速率、高擊穿電

壓、異質(zhì)結(jié)溝道中高峰值電子漂移速度、高薄層電子濃度、耐

輻射和物理化學(xué)穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率高等特點(diǎn)。

已研制出了GaN基高亮度可見(jiàn)光/紫外光激光器和發(fā)光管、及高

性能紫外光探測(cè)器等，GaN的VCSEL、DFB激光器等也在發(fā)展中。

仍存在問(wèn)題：

①

材料的高缺陷密度或者說(shuō)缺乏合適的外延襯

底；

②

材料缺乏解理面，

不利于做端面發(fā)射激光器；

③

材料

和器件成本高；

④

InGaN/GaN量子阱發(fā)光機(jī)理、GaN

基材料熱

電和壓電效應(yīng)、InGaNAs

材料等的研究與開(kāi)發(fā)等。25II‐VI族半導(dǎo)體材料：MgZnSSe體系二元化合物ZnSe

、ZnS

和三元化合物ZnSSe

用于制作藍(lán)光激光器，已有光泵浦和電泵浦激光器。對(duì)于ZnSSe

，通過(guò)改變S

含量大小，可獲得達(dá)4%的晶格常數(shù)調(diào)節(jié)。如果S

含量較低時(shí)，

三元化合物可能形成穩(wěn)定的閃鋅礦結(jié)構(gòu)或纖鋅礦結(jié)構(gòu)。II‐VI族半導(dǎo)體材料：ZnO半導(dǎo)體

具有六方結(jié)構(gòu)的寬禁帶半導(dǎo)體材料，室溫下禁帶寬度為3.37eV；

激子結(jié)合能高達(dá)60meV，比同是寬禁帶材料的ZnSe(20meV)和

GaN(21meV)都高出許多，有利于產(chǎn)生室溫下的激子發(fā)光。

ZnO薄膜生長(zhǎng)溫度較低（e.g.

<500oC)。

應(yīng)用：壓電器件、太陽(yáng)能電池、敏元件、壓敏元件、緩沖層、紫外

探測(cè)器、發(fā)光器件。中南大學(xué)

26Indian

Nanoelectronics材料ZnOZnSZnSe‐33密度(10kg/cm)4.104.095.265.26晶體結(jié)構(gòu)纖鋅礦纖鋅礦閃鋅礦纖鋅礦閃鋅礦晶格常數(shù)(nm)a=0.32496c=0.52065a=0.3814c=0.62570.5406a=0.4000c=0.6540.5667熔點(diǎn)(?C)200018501515折射率2.22.42.42.89介電常數(shù)7.98.38.38.18.12電子遷移率(cm/V?s)2空穴遷移率(cm/V?s)18014053010051616禁帶寬度(eV)‐4溫度系數(shù)(10eV/K)3.23.83.62.672.58‐9.5‐3.8‐5.3‐7.227II‐VI族半導(dǎo)體材料的性質(zhì)28直接帶隙半導(dǎo)體材料的發(fā)光波長(zhǎng)297.3

非半導(dǎo)體材料

LiNbO3、LiTaO3晶體：

電光、聲光、壓電晶體、光波導(dǎo)器件

Ta2O5、Nb2O5：高折射率差、低損耗光波導(dǎo)及器件

聚合物材料：光波導(dǎo)、電光和熱光器件

玻璃材料：光波導(dǎo)及器件

磁性材料：磁光器件晶體aαLiNbO35.4944?55°52′LiTaO35.4740?56°10′30＂30A.

LiNbO3、LiTaO3晶體LiNbO3(Tc=1210

℃)、LiTaO3

(Tc=

620

℃)具有較高居里溫度、較大電光效應(yīng)和非線性光學(xué)系數(shù)、較高機(jī)械品質(zhì)因素、較低聲損耗。廣泛應(yīng)用于高頻傳感器、表面聲波器件(SAW)、紅外探測(cè)器、激光調(diào)制器和光學(xué)波導(dǎo)調(diào)制器。在無(wú)源集成光學(xué)器件中也得到了應(yīng)用。LiTaO3

集成光器件尺度較大且工作電壓較高。3m點(diǎn)群的負(fù)單軸晶體CrystalPoint

Group‐12rij(10m/V)Vπ(KV)λ(μm)nTR(μm)LiNbO33m8.6r13S0.6322.286(n0)0.4‐530.8r33S28r51S2.82.200(ne)3.4r22S7r22T21rC'S19rC'TLiTaO33m7r13S2.70.6322.176(n0)0.9‐2.93.2‐4.030.3r33S20r51S2.180(ne)24rC'S31LiNbO3和LiTaO3的線性電光系數(shù)32LiNbO3特點(diǎn)

性能優(yōu)異的電光材料：橫向應(yīng)用，沿著晶體的C軸加電場(chǎng)；

優(yōu)良的聲光材料，聲衰減系數(shù)為0.05dB/cm；

易受光損傷（短波長(zhǎng)強(qiáng)光照射時(shí)，折射率發(fā)生急劇的難以恢復(fù)的

變化），原因在于晶體中的雜質(zhì)影響，已基本解決；亦可用于制

備光波導(dǎo)（超短脈沖的紫外線）。熱光效應(yīng)（~2e‐6）熱光開(kāi)關(guān)和調(diào)制器；耐熱沖擊性能差：清洗中冷熱水的溫差，

進(jìn)行擴(kuò)散等熱處理時(shí)與器皿、工具的接觸等都可能造成襯底炸裂，特別是Z

切晶體更為嚴(yán)重。LiNbO3光波導(dǎo)通常采用Ti內(nèi)擴(kuò)散技術(shù)和質(zhì)子交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)。B.聚合物材料特點(diǎn)

價(jià)格低、制作簡(jiǎn)單：不必經(jīng)過(guò)擴(kuò)散、蒸發(fā)及外延等真空工藝，

可

以用涂敷和光照等過(guò)程，

制作工藝及設(shè)備簡(jiǎn)單。材料的低成本和工藝的低成本聚合物會(huì)成為集成光學(xué)器件的重要材料。

聚合物光波導(dǎo)具有較低傳輸損耗、與光纖耦合損耗也較低。

便于與其它材料結(jié)合，如淀積在半導(dǎo)體襯底上，

便于實(shí)現(xiàn)混合光

電集成。

可通過(guò)調(diào)節(jié)有機(jī)材料的組分以實(shí)現(xiàn)電光、熱光等特性，獲得強(qiáng)度

和相位調(diào)制

缺點(diǎn)：機(jī)械強(qiáng)度差、易被污染而且不易清洗，

尚需大量研究。

常用的有：聚異丁烯酸甲酯（PMMA）

、環(huán)氧樹(shù)脂（expoxy）

、苯并環(huán)丁烯（benzocy‐clobutene，

BCB）

、氟化聚酰亞胺（polyimide）

、聚碳酸酯（polycarborates，

PC）等，

其襯底材料主要采用硅。

33性能\類型PMMAPSPCSANTPXCR‐39折射率1.491.591.5861.5331.4651.498色散57.530.829.942.456.257.83密度(g/cm)1.181.041.21.090.831.32玻璃化溫度(℃)105100145導(dǎo)熱系數(shù)‐1W(mK)0.167‐2.2510.100‐0.1380.193用途飛機(jī)汽車窗玻璃光學(xué)儀器光纖透鏡等光盤建筑材料電子電器通訊器材家用電器儀表盤透鏡電器零件太陽(yáng)鏡眼鏡片34聚合物材料總結(jié)35C.

玻璃材料

各向同性非晶態(tài)材料（種類繁多）；

熔融石英玻璃(fused

silica)：在1.3μm，1.5

μm

處有極低的光損耗，光纖材料。

SiO2光波導(dǎo)

薄膜形成：

火焰水解淀積（FHD）

熱氧化

等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積（PECVD）

折射率變化：

離子擴(kuò)散；

摻雜（Ge）36D.磁性材料

磁性晶體與磁性薄膜

鐵磁性晶體：EuO,

EuS

亞鐵磁性晶體：釔鐵石榴石、摻Bi

稀土鐵石榴石

釔鐵石榴石（

Y3Fe5O12,

簡(jiǎn)稱YIG）在1.1‐1.5μm范圍內(nèi)

較低光吸收系

數(shù)，可用于各種磁光器件，如調(diào)制器、隔離器、開(kāi)關(guān)、環(huán)行器。

YIG

薄膜的襯底：釓鎵石榴石Gd3Ga5O12

(gadolinium

gallium

garnet,

GGG)

作襯底、NGG

(Nd3Ga5O12)

、GSGG