集成光电子器件的材料
光电子材料包括：
（1） 激光材料（20世纪60年代初） 激光：高亮度、单色、高方向性 红宝石（Cr3+:Al2O3 )
（2） 非线性光学晶体（变频晶体） KDP（磷酸二氢钾）、KTP（磷酸钛氢
钾） LBO（三硼酸锂）…
（3）红外探测材料（军用为主） HgCdTe、 InSb、 CdZnTe、 CdTe
不同材料矩形单模波导的宽度
SiO2：n=1.44 Ge： SiO2：n=1.45
两种波导的 优缺点？
SiO2：n=1.44
5~6 μm
220nm
30~40μm
Si： n=3.4
500nm
做出的器件尺寸大，但与光 纤耦合损耗很小
做出的器件尺寸很小，但与 光纤耦合损耗大
如希望对光纤耦合损耗小：不同材 料的光波导结构
（8）敏感材料
1. 计算机的控制灵敏度与精确度有赖于敏感 材料的灵敏度与稳定性。
2. 敏感材料种类繁多，涉及半导体材料、功 能陶瓷、高分子、生物酶与核酸链（DNA） 等。
集成光电子材料
材料
SiO2 Si
InP LiNbO3 聚合物(如 PMMA)
芯层折射率 @1550nm 1.45
3.4-3.5
在VLSI制造中， 工艺水的目标是 18MΩ。 水中的细菌是通 过紫外线去除。
电阻 (Ohms · cm
25 û C)
18 000 000 15 000 000 10 000 000 1 000 000
100 000 10 000
溶解固体 的容量 (ppm)
0.0277 0.0333 0.0500 0.500 5.00 50.00
半导体激光器，探测器，放大器， 电光调制器
目前最好的电光调制器，声光调制 器
热光效应，潜在的电光效应
集成光电子学中的主要制备技 术
横截面
Si SiO2
硅片
波导制作工艺
mask
集成光电子器件制作条件
• 超净室 • 去离子水
经验告诉我们，微粒的大小要小于器件上最小 特征图形尺寸的1/10。（就是说直径为0.03微米的 微粒将会损坏0.3微米线宽大小的特征图形。）否则 会造成器件功能的致命伤害。
平面光波导的类型
1-d 光限制
cladding core
nlow nhigh
cladding
nlow
平板波导
氧化硅、聚合物
2-d 光限制 硅、三五族
core
nlow
nhigh
cladding
条形（矩形）波导
nlow nhigh nlow 脊形波导
cladding core
阶跃折射率光纤
铌酸锂 渐变折射率 (GRIN) 光纤
靠配比改变
折射率差
波导折射率与模式
n2 θc
n1
n2
sin c
n2 n1
同样厚度 的硅波导 和二氧化 硅波导哪 个能有更 多模式？
为什么通常希望 波导厚度与模使式用单模波导？
Helmholtz equation:
[ 2 xk0 2n22]U (x)0
x nclad ncore nclad
n nclad ncore
硅片（基底）
1）化学气相淀积 — Chemical Vapor Deposition (CVD)
一种或数种物质的气体，以某种方式激活后，在衬底表面发生
两 化学反应，并淀积出所需固体薄膜的生长技术。
类 主
例如：APCVD, LPCVD, PECVD, HDPCVD
要 的 淀 积
2）物理气相淀积 — Physical Vapor Deposition (PVD) 利用某种物理过程实现物质的转移，即将原子或分子转移到衬 底（硅）表面上，并淀积成薄膜的技术。
WHY？
脊形光波导
脊形光波导的作用是增 大光斑面积
对大折射率差材料， 如用普通矩形，则 单模波导尺寸很小
为了方便把更多的能量耦合进入芯 层10微米左右直径的光纤里去
渐变折射率波导
这类波导有什么用？
AgNO3
V
Li
Ag
LiNbO3
集成光器件的分类
• 有源器件：用于光信号产生，检测，调制 及放大（半导体激光器，光调制器，光放 大器，光探测器）
加热器：电阻 丝或电子束
溅射Sputtering - 溅射淀积Sputter deposition
利用高能粒子（通常是由电场加速的正 离子如Ar+）撞击固体表面，使表面离子 （原子或分子）逸出的现象
净化级别：每立方英尺空气中含有尺度大于0.5mm的粒子 总数不超过X个。
0.5um
排气除尘
高效过滤
超细玻璃纤 维构成的多 孔过滤膜： 过滤大颗粒， 静电吸附小 泵 颗粒 循 环 系 统
20～22C 40～46％RH
电离栅板
空气流
空气 层
流立式工作台
接地 腕带
在线 电离 件
接地站垫
人员产生的污染
红外玻璃： 重金属氧化物、卤化物 掺稀土元素玻璃： Er、Nd、… 多模只适于小容量近距离（40Km,100M bps) 单模可传输调制后的信号≥40Gbps 到200Km， 而不需放大。
（7）记录材料
21世纪将是以信息存储为核心的计算机时代，在军事 方面，如何快速准确地获取记录、存储、交换与发送信 息是制胜的关键。
芯层/包层材 料
Ge:SiO2 /SiO2 Si/SiO2
芯层/包层折 射率差 0-0.5%
50-70%
损耗dB/cm @1550nm 0.05
0.1
3.2
inP、GaAs/ ~100%
3
空气
2.2
Ag(Ti):LiNbO 0.5%
0.5
3/ LiNbO3
1.3-1.7
都是聚合物， 0-35%
0.1
（4）半导体光电子材料，见表2
表2 主要化合物半导体及其用途
领域 微电子
光电子
材
料
GaAs、InP
GaAs
GaAs InP Sb InAs
GaAs
GaP、GaAs、GaAsP、GaAlAs、 InGaAlP
CdTe、CdZnTe、HgCdTe
InSb、CdTe、HgCdTe、PbS、 PbZnTe
电子束直写
1.掩膜：图形生成
1.掩膜：电子束直写
掩模版制作过程
12. Finished
2.薄膜沉积：制作平面波导
掩膜是一张照了相的胶卷，这层薄膜就相当于一张空白相纸。 后面的光刻过程就是将胶卷图像转移到这张空白相纸的过程
Ge：SiO2（5-6um）：波导芯层n=1.45 SiO2（12-15um）：波导包层n=1.44
方 例如：蒸发 evaporation，溅射sputtering
式
物理气相淀积 （PVD）
蒸发（Evaporation）
溅射（Sputtering）
淀积金属薄膜
淀积金属、介 质等多种薄膜
蒸发（真空镀膜机）
真空蒸发：在真空中， 把蒸发料(金属)加热， 使其原子或分子获得 真空状态 足够的能量，克服表 面的束缚而蒸发到真 空中成为蒸气，蒸气 分子或原子飞行途中 遇到基片，就淀积在 基片上，形成薄膜
500%
喷嚏
2000%
水平。
安坐
20%
手摩擦脸
200%
步行
200%
用脚跺 地板
5000%
颗粒粘附
所有可以落在硅片表面的都称作颗粒。
颗粒来源：
✓空气 ✓人体 ✓设备 ✓化学品
超级净化空气
风淋吹扫、防护服、面罩、 手套等，机器手/人
超纯化学品 去离子水
特殊设计及材料 定期清洗
工艺用水
在微纳米器件生产的整个过程中，要经过多次 的化学刻蚀与清洗，每步刻蚀与清洗后都要经过 清水冲洗。由于半导体器件非常容易受到污染， 所以所有工艺用水必须经过处理，达到非常严格 洁净度的要求。
Schrödinger equation:
[21m2 xVE](x)0
V
?
V0
Vwell
E3 E2 E1 x
1-d potential well (particle in a well)
对波导折射率差越大相当 于势阱越深，芯层厚度越 大代表势阱越宽，那么可 以容纳的模数就越多
单模波导最小宽度：
Wc 2 2n n
பைடு நூலகம்
集成光电子器件标准工艺
• 掩膜制作 • 薄膜沉积 • 光刻技术 • 刻蚀技术
有图像的胶卷 波导结构：空白相纸 将胶卷图案转移到相纸感光胶上 定影:将像固定在相纸，即波导上
整个过程就像一次洗胶卷过程。把设计好的 图形先做成胶卷，然后再在底片上显影
1.掩膜制作（相当于产生一个胶卷底片）
用Auto-CAD等 软件画原始图形
• 无源器件：不对光信号形式产生任何改变， 只改变光传播路径等（光耦合器，光纤光 栅，阵列波导光栅，光滤波器等）
有源器件材料的应用场合
不同材料吸收系数与波长的关系
光吸收系数 (cm-1) 光穿透深度 (mm)
光子能量增大方向
截止波长c由其带隙能量 Eg决定： c = hc / Eg
(1) 入射 > 截止 hv入射不足以激励出电子
(2) 入射 < 截止 材料对光子开始吸收
(3) 入射 < < 截止
材料吸收强烈 (as很大)
所激发的载流子寿命短
(粒子的能级越高越不稳定)
集成光电子材料
材料
应用
SiO2
光通信应用的无源器件材料
Si
InP/GaAs/AlGaAS 等三五族 LiNbO3