第七章 集成光學(xué)器件的材料課件

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1、第七章集成光學(xué)器件的材料目錄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(wú)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(zhǎng)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

2、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7.2半導(dǎo)體材料是目前唯一可以同時(shí)制作光子有源器件、電子有源器件、光子無(wú)源器件的材料但對(duì)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(dòng)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(shì)硅片尺寸大（12‘）、質(zhì)量高、價(jià)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)

3、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(gè)很好的平臺(tái)。SOI材料中作

4、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?。ㄐ∮?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?jiǎn)文２▽?dǎo)損耗可以很低，適合制作無(wú)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(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)

5、?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(zhǎng)波長(zhǎng)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=3

6、00K）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E

7、g=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(zhǎng)高的缺陷密度缺乏解理面（國(guó)家“863”計(jì)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

8、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7.3.1