第六章 常见光波导材料及工艺

1、集成光电子器件的材料教师：宋军光电子材料包括：光电子材料包括：领域领域材材 料料器器 件件用用 途途微电子微电子GaAs、InP 超高速 IC电脑电脑GaAs FET携带电话携带电话光电子光电子GaAs InP Sb InAs LD光通讯光通讯GaAs 红外 LED遥控耦合器遥控耦合器GaP、GaAs、GaAsP、GaAlAs、InGaAlP LEP出外显示器出外显示器CdTe、CdZnTe、HgCdTe热成像仪热成像仪InSb、CdTe、HgCdTe、PbS、PbZnTe红外探测器红外探测器GaAs、InP、GaSb太阳能电池太阳能电池（5 5）显示材料）显示材料 发光二级管（发光二级管（L

2、EDLED）如表）如表 3 3发发 光光 尺尺衬衬 底底发光颜色发光颜色波长（波长（nm)nm) Ga0.65Al0.35As GaAs红红 660 GaAs0.35P0.65(N) GaP红红 650 GaAs0.1P0.9(N) GaP橙橙 610 GaAs0.1P0.9(N) GaP黄黄 583 GaP Gap绿绿 555 GaN-Al2O3蓝蓝 490 SiC SiC蓝蓝480(全包显示屏)液晶显示液晶显示(LCD)(LCD)材料材料(1968(1968年发明年发明) )为为2121世纪上半叶主要显示材料世纪上半叶主要显示材料表表3 LED 3 LED 发光材料及可见光区发光材料及可见

3、光区表表4 4 光纤发展阶段及所需材料光纤发展阶段及所需材料发展阶段发展阶段波长波长 ( m) 模模 数数 衰衰 耗耗 (dB/km) 中继距离中继距离 (Km)第一阶段第一阶段 0.85 多多 模模 1.5 10第二阶段第二阶段 1.30 单单 模模 0.8 60第三阶段第三阶段 1.55 单单 模模 0.16 500第四阶段第四阶段 2 - 5 310-4 2500(6)(6)光纤与光缆材料光纤与光缆材料( (网络网络)()(表表4)4) 一条光纤带宽所容纳信息量相当于全世界无线一条光纤带宽所容纳信息量相当于全世界无线电带宽的电带宽的10001000倍倍. (25 T bps vs 25

4、G bps ). (25 T bps vs 25 G bps )光纤材料光纤材料: : （7 7）记录材料）记录材料 2121世纪将是以信息存储为核心的计算机时代，在军事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。息是制胜的关键。 磁记录在磁记录在2121世纪初仍有很强的生命力，通过垂直磁世纪初仍有很强的生命力，通过垂直磁记录技术和纳米单磁畴技术，再加先进磁头（如巨磁电记录技术和纳米单磁畴技术，再加先进磁头（如巨磁电阻）（阻）（GMRGMR）的采用，有可能使每平方英寸的密度达）的采用

5、，有可能使每平方英寸的密度达100GB100GB，所用介质为氧化物磁粉（，所用介质为氧化物磁粉（-Fe2O3-Fe2O3及加及加 Co - Co - -Fe2O3 -Fe2O3、CrO2)CrO2)，金属磁粉或钡铁氧体粉。，金属磁粉或钡铁氧体粉。 磁光记录：与磁记录不同之处在于记录传感元件是磁光记录：与磁记录不同之处在于记录传感元件是光头而不是磁头。磁光盘的介质主要是稀土光头而不是磁头。磁光盘的介质主要是稀土- -过渡族金属，过渡族金属，如如TbFeCoTbFeCo、GdTbFeGdTbFe、NdFeCoNdFeCo，最新的是，最新的是Pb/CoPb/Co多层调制膜多层调制膜或或BiBi石榴石

6、薄膜。磁光盘的特点在于可重写，可交换介石榴石薄膜。磁光盘的特点在于可重写，可交换介质。质。（8 8）敏感材料）敏感材料 1.1. 计算机的控制灵敏度与精确度有赖于敏感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。材料的灵敏度与稳定性。 2. 2. 敏感材料种类繁多，涉及半导体材料、功敏感材料种类繁多，涉及半导体材料、功 能陶瓷、高分子、生物酶与核酸链（能陶瓷、高分子、生物酶与核酸链（DNADNA） 等。等。集成光电子材料材料芯层折射率1550nm芯层/包层材料芯层/包层折射率差损耗dB/cm1550nmSiO21.45Ge:SiO2/SiO20-0.5%0.05Si3.4-3.5

7、Si/SiO250-70%0.1InP3.2inP、GaAs/空气100%3LiNbO32.2Ag(Ti):LiNbO3/ LiNbO30.5%0.5聚合物(如PMMA)1.3-1.7都是聚合物，靠配比改变折射率差0-35%0.1波导折射率与模式c21sincnnn1n2n2同样厚度同样厚度的硅波导的硅波导和二氧化和二氧化硅波导哪硅波导哪个能有更个能有更多模式？多模式？波导厚度与模式0)(22202xUnkxHelmholtz equation:xnncorencladncorencladncladSchrdinger equation:0)(212xEVmx?VxV0Vwell1-d pot

8、ential well (particle in a well)E1E2E3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2 2cWnn单模波导最小宽度：为什么通常希望为什么通常希望使用单模波导？使用单模波导？不同材料矩形单模波导的宽度SiO2：n=1.443040mGe： SiO2：n=1.4556 mSiO2：n=1.44Si：n=3.4500nm220nm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两种波导的两种波导的优缺点？优缺点？如希望对光纤耦合损耗小：不同材料的光波导结构平面光波导的类型平板波导条形（矩形）波导n

9、highnlownlownhighnlow脊形波导nhighnlownlow1-d 光限制2-d 光限制claddingcladdingcorecorecladding阶跃折射率光纤渐变折射率 (GRIN) 光纤corecladding氧化硅、聚合物硅、三五族铌酸锂脊形光波导对大折射率差材料，对大折射率差材料，如用普通矩形，则如用普通矩形，则单模波导尺寸很小单模波导尺寸很小脊形光波导的作用是增脊形光波导的作用是增大光斑面积大光斑面积WHY？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VAgNO3LiNbO3AgLi这类波导有什么用？集成光器件的分类 有源器件：用于光

10、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） 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 (m)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 600 ）退火后，会结晶（）退火后，会结晶（crystallization）；）；柱状结构多晶硅经高温退火后，晶粒要长大（柱状结构多晶硅经高温退火后，晶粒要长大（gr

11、ain growth）。）。氧化硅的淀积方法氧化硅的淀积方法低温低温CVD（250450 C）)(2)()()(2224gHsSiOgOgSiH可以同时掺杂，如：可以同时掺杂，如：PH3，形成，形成PSG磷硅玻璃：磷硅玻璃：)(6)(2)(5)(425223gHsOPgOgPH硅烷为源的淀积硅烷为源的淀积APCVD，LPCVD，PECVD淀积温度低，可作为钝化层，密度小于热生长氧化硅，台阶覆盖差。用用HD-PECVD可以获可以获得低温（得低温（120 C）的）的高质量氧化硅膜高质量氧化硅膜)(2)(4)()(4)(22224gOHgNsSiOgONgSiH也可以也可以PECVD：P2O5和和S

12、iO2组成的二元组成的二元玻璃网络体玻璃网络体应力小，流动性增加应力小，流动性增加碱金属离子的吸杂中心碱金属离子的吸杂中心易吸水形成磷酸易吸水形成磷酸氮化硅的淀积方法氮化硅的淀积方法2438007003226643HHClNSiNHClSiHCo LPCVD：质量好，产量高质量好，产量高2343HSiNHNHSiHPECVD：等离子体中：等离子体中 或或SiNxHy膜对水和钠有极强的阻挡膜对水和钠有极强的阻挡能力，可作为最终的钝化层或多能力，可作为最终的钝化层或多层布线中的介质。层布线中的介质。224322HSiNHNSiH等离子增强化学气相淀积（等离子增强化学气相淀积（PECVD）低温下（低

13、温下（200350 C）利用非热能来增强工艺过程）利用非热能来增强工艺过程反应气体被加速电子撞击而离化。形成不同的活性基团，反应气体被加速电子撞击而离化。形成不同的活性基团，它们间的化学反应就生成所需要的固态膜。它们间的化学反应就生成所需要的固态膜。13.56MHz等离子体：等离子体：物质存在的第四态物质存在的第四态高密度导电粒子构成的气体高密度导电粒子构成的气体极板区域有辉光极板区域有辉光上标上标“ * ” 表示那些能量要远远大于基态的粒子。分离的原子或表示那些能量要远远大于基态的粒子。分离的原子或分子被称为自由基，它们具有不完整的结合状态并且非常活跃。分子被称为自由基，它们具有不完整的结合

14、状态并且非常活跃。如：如：SiH3，SiO，F等。等。 原子激发原子激发 e* + A A*+e 分子激发分子激发 e* + AB AB*+e e* + AB A*+B*+e 原子离子化原子离子化 e* + A A+e+e 分子离子化分子离子化 e* + AB AB + +e+e激发激发裂解裂解离离化化等离子体由电子、离化分子、中性分等离子体由电子、离化分子、中性分子、中性或离化的分子片断、激发的子、中性或离化的分子片断、激发的分子和自由基组成。假设流进的气体分子和自由基组成。假设流进的气体是由原子是由原子A和原子和原子B组成的分子组成的分子AB, 在辉光放电中可出现的过程可有在辉光放电中可出

15、现的过程可有:3.光刻光刻：将底片（掩膜）的图形转移到刚沉积的波导表面上光刻的要求光刻的要求图形转移技术组成：图形转移技术组成：掩膜版掩膜版/电路设计电路设计掩膜版制作掩膜版制作光刻光刻光源光源曝光系统曝光系统光刻胶光刻胶分辨率（分辨率（高高）曝光视场（曝光视场（大大）图形对准精度（图形对准精度（高高）1/3最小特征尺寸最小特征尺寸产率（产率（throughput）（）（大大）缺陷密度（缺陷密度（低低）三种硅片曝光模式及系统三种硅片曝光模式及系统接触式接触式接近式接近式投影式投影式1:1曝光系统曝光系统光刻：正胶与负胶负胶负胶正胶正胶光刻胶上的图形与掩膜图形互补光刻胶上的图形与掩膜图形互补光刻

16、胶上的图形与掩膜图形一样光刻胶上的图形与掩膜图形一样步进投影式光刻机原理图步进投影式光刻机原理图10:15:11:1步进扫描光刻机步进扫描光刻机两个爱里斑之间的分辨率两个爱里斑之间的分辨率(瑞利判据瑞利判据):aasin61. 0)sin2(22. 122. 1nfnfdfRasinnNA 数值孔径：收集衍射数值孔径：收集衍射光的能力。光的能力。n为折射率为折射率分辨率分辨率0.61RNA提高分辨率：提高分辨率：NA ， ，光刻步骤简述光刻步骤简述前烘前烘对准及曝光对准及曝光坚膜坚膜曝光后烘曝光后烘248 nm157 nm13.5 nm193 nmEUV光刻非光学方法光刻技术非光学方法光刻技术

17、纳米压印（纳米压印（Nanoimprint）基于材料和工艺革新的基于材料和工艺革新的“侧墙转移侧墙转移”技技术（术（Sidewall/Spacer transfer lithography）X射线光刻技术（射线光刻技术（XRL）离子束光刻技术（离子束光刻技术（IBL）无掩模光刻无掩模光刻电子束（电子束（Shaped Beam / Multi-Column / Multi-Beams）无无光光源源4. 刻蚀技术刻蚀技术刻蚀的性能参数刻蚀的性能参数刻蚀速率刻蚀速率R(etch rate)单位时间刻蚀的薄膜厚度。对产单位时间刻蚀的薄膜厚度。对产率有较大影响率有较大影响刻蚀均匀性刻蚀均匀性(etch

18、uniformity)一个硅片或多个硅片或多批硅片一个硅片或多个硅片或多批硅片上刻蚀速率的变化上刻蚀速率的变化选择性选择性S(Selectivity)不同材料之间的刻蚀速率比不同材料之间的刻蚀速率比各项异性度各项异性度A(Anisotropy)刻蚀的方向性刻蚀的方向性A=0, 各项同性；各项同性；A=1, 各项异性各项异性掩膜层下刻蚀掩膜层下刻蚀(Undercut)横向单边的过腐蚀量横向单边的过腐蚀量图形转移图形转移刻蚀刻蚀两大关键问题：两大关键问题：选择性选择性方向性：各向同方向性：各向同性性/各向异性各向异性21rrS 待刻材料的刻蚀待刻材料的刻蚀速率速率掩膜或下层材料掩膜或下层材料的刻蚀

19、速率的刻蚀速率vertlatrrA 1横向横向刻蚀刻蚀速率速率纵向刻纵向刻蚀速率蚀速率图形转移过程演示图形转移过程演示图形转移光刻刻蚀图形转移光刻刻蚀刻蚀要求刻蚀要求:1. 得到想要的形状（斜面还是垂直图形）得到想要的形状（斜面还是垂直图形）2. 过腐蚀最小（一般要求过腐蚀过腐蚀最小（一般要求过腐蚀10，以保证整片刻蚀完全），以保证整片刻蚀完全）3. 选择性好选择性好4. 均匀性和重复性好均匀性和重复性好5. 表面损伤小表面损伤小6. 清洁、经济、安全清洁、经济、安全两类刻蚀方法：两类刻蚀方法：湿法刻蚀湿法刻蚀化学溶液中进行化学溶液中进行反应腐蚀，选择性好反应腐蚀，选择性好干法刻蚀干法刻蚀气相

20、化学腐蚀气相化学腐蚀（选择性好）或物理腐蚀（方向（选择性好）或物理腐蚀（方向性好），或二者兼而有之性好），或二者兼而有之刻蚀过程包括三个步骤：刻蚀过程包括三个步骤： 反应物质量输运（反应物质量输运（Mass transport）到要被刻）到要被刻蚀的表面蚀的表面 在反应物和要被刻蚀的膜表面之间的反应在反应物和要被刻蚀的膜表面之间的反应 反应产物从表面向外扩散的过程反应产物从表面向外扩散的过程湿法刻蚀湿法刻蚀反应产物必反应产物必须溶于水或须溶于水或是气相是气相BOE：buffered oxide etching或或BHF: buffered HF加入加入NH4F缓冲液：弥补缓冲液：弥补F和降低对

21、胶的刻蚀和降低对胶的刻蚀实际用实际用各各向向同同性性例例1：SiO2采用采用HF腐蚀腐蚀例例2：Si采用采用HNO3和和HF腐蚀（腐蚀（HNA）例例3：Si3N4采用热磷酸腐蚀采用热磷酸腐蚀例例4：Si采用采用KOH腐蚀腐蚀各向异性各向异性Si + 2OH- + 4H2O Si(OH)2+ + 2H2 + 4OH-硅湿法腐蚀由于晶向而产生的各向同性腐蚀硅湿法腐蚀由于晶向而产生的各向同性腐蚀干法刻蚀干法刻蚀化学刻蚀（各项同性，选择性好）化学刻蚀（各项同性，选择性好）等离子体激活的化学反应等离子体激活的化学反应(等离子体刻蚀等离子体刻蚀)物理刻蚀（各向异性，选择性差）物理刻蚀（各向异性，选择性差）

22、高能离子的轰击高能离子的轰击 (溅射刻蚀溅射刻蚀) 离子增强刻蚀（各向异性，选择性较好）离子增强刻蚀（各向异性，选择性较好）反应离子刻蚀反应离子刻蚀化学刻蚀化学刻蚀 物理刻蚀物理刻蚀典型的典型的RF等离子刻蚀系统和等离子刻蚀系统和PECVD或溅射系统类似或溅射系统类似总结总结什么是图形转移技术？什么是图形转移技术？刻蚀的两个关键问题？刻蚀的两个关键问题？选择性选择性方向性方向性光刻刻蚀光刻刻蚀干法刻蚀干法刻蚀纯物纯物理刻理刻蚀蚀纯化纯化学刻学刻蚀蚀反应离子刻蚀反应离子刻蚀RIE增加方向性、选择增加方向性、选择性的方法性的方法CF4/O2湿法腐蚀：湿法腐蚀：SiHNA各向同性各向同性 KOH各向异性各向异性SiO2HF掺杂（掺杂（doping）：将一定数量和一定种类的杂质掺入硅）：将一定数量和一定种类的杂质掺入硅中，并获得精确的杂质分布形状（中，并获得精确的杂质分布形状（doping profile）。）。MOSFET：阱、栅、源：阱、栅、源/漏、沟道等漏、沟道等BJT：基极、发射极、集电极等：基极、发射极、集电极等掺杂应用：掺杂应用：B E Cppn+n-p+p+n+n+BJTp wellNMOS5.掺杂技术扩散的微观机制扩散的微