第6常见光波导材料与结构

集成光电子器件的材料教师：宋军光电子材料包括：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)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）…红外探测材料（

为主）H

Te、InSb、CdZnTe、CdTe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材

料器

件用

途微电子GaAs、InP速IC电脑GaAsFET携带光电子GaAs

InP

Sb

InAsLD光通讯GaAs红外LED耦合器GaP、GaAs、GaAsP、GaAlAs、InGaAlPLEP出外显示器CdTe、CdZnTe、H

Te—热成像仪InSb、CdTe、H

Te、PbS、PbZnTe—红外探测器GaAs、InP、GaSb—能电池表3

L（ED

5发）光显材示料及材可料见光区发光尺发光二衬级底管（发光LE颜D色）如波表长（3nm)Ga0.65Al0.35AsGaAs红660GaAs0.35P0.65(N)GaP红650GaAs0.1P0.9(N)GaP橙610GaAs0.1P0.9(N)GaP黄583GaPGap绿555GaNΑ-Al2O3蓝490SiCSiC蓝480(全包显示屏)液晶显示(LCD)材料(1968年发明)为21世纪上半叶主要显示材料一条光纤带宽所容纳信息量相当于全世界无线电带宽的1000倍.(25

T

bps

vs

25

G

bps)表4

光纤发展阶段及所需材料发展阶段波长(m)模数衰耗(dB/km)中继距离(Km)第一阶段0.85多模1.510第二阶段1.30单模0.860第三阶段1.55单模0.16500第四阶段2--

53×10-42500(6)光纤与光缆材料(网络)(表4)光纤材料:

石英玻璃：SiO2、SiO2-GeO2、SiO2-B2O3-F

多组分玻璃：SiO2-GaO-Na2O、SiO2-B2O3–Na2O

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

为

的计算机时代，在军事方面，如何快速准确地获取记录、

、交换与发送信息是制胜的关键。磁记录在21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（如巨磁电阻）（GMR）的采用，有可能使每平方英寸的密度达

100GB，所用介质为氧化物磁粉（γ-Fe2O3及加Co-

γ-Fe2O3、CrO2)，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

光头而不是磁头。磁光盘的介质主要是稀土-过渡族金属，如TbFeCo、GdTbFe、NdFeCo，

的是Pb/Co多层调制膜或Bi石榴石薄膜。磁光盘的特点在于可重写，可交换介

质。（8）敏感材料

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。

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芯层折射率@1550nm芯层/包层材料芯层/包层折射率差损耗dB/cm@1550nmSiO21.45Ge:SiO2/SiO20-0.5%0.05Si3.4-3.5Si/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θc21csin

nnn1n2n2同样厚度的硅波导和二氧化硅波导哪个能有更多模式？波导厚度2

2

20

k

n

]U

(x)

02xHelmholtz

equation:[xnnclad

ncorencorencladnclad

V

E

]

(

x)

02m1[2x?VxV0Vwell1-d

potential

well

(particlein

a

well)E2E1E3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 2n

nWc

单模波导最小宽度为什么通常希望使用单模波导？Schrödinger

equation:不同材料矩形单模波导的宽度SiO2：n=1.4430~40μmGe：

SiO2：n=1.455~6

μmSiO2：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cladding

nlowcore

nhighcladding

nlow平板波导条形（矩形）波导nhighnlownlownhighnlow脊形波导1-d

光限制2-d

光限制corecladding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，如用普通矩形，则单模波导尺寸很小脊形光波导的作用是增大光斑面积WHY？为了方便把 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

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

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()入射<<截止材料吸收强烈(s很大)所激发的载流子

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集成 ，光通信无源材料，能电池InP/GaAs/AlGaAS等三五族半导体激光器，探测器，放大器，电光调制器LiNbO3目前最好的电光调制器，声光调制器聚合物(如PMMA)热光效应，潜在的电光效应技集成光电子学中的主要术横截面硅片SiSiO2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，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。人类毛发的直径1微米1

cm=10

000微米1、空气净化From

InMuseum三道防线:环境净化（clean

room）材料

（

r

cleaning）吸杂（gettering）光电所投资4000万元的光电子学实验大楼坐落在大学湖畔。这是一座设施先进、功能完善、配套齐全、专业化水准高的现代化实验大楼，总面积8200平方米，其中有1200平方米的百级和万级净化

，有电子级超纯水 系统、各种特殊气体的供送系统以及相应的安全保障和环保设施等。投资6000万元购置的先进科研仪器设备，构建了显微分析、光谱分析、超快技术、光电子材料、生物光子学、等离子体显示、应用光学、电子学等10多个测试 和真空光电子器件、半导体光电子材料与器件、平板显示器件、有机电致发光材料、纳米光电子材料等10多个工艺 。主要大型仪器设备有：金属有机化合物气相沉积（MOCVD）系统、微波等离子体增强化学气相沉积（MPECVD）系统、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）系统、磁控溅射系统、反应离子刻蚀机、光刻机、高精度丝网印刷机、大型高精度点胶机、高精度喷砂机、多功能镀膜机、扫描探针显微镜、扫描电子显微镜、台阶轮廓测试仪、三维

显微镜、真空紫外单色仪、紫外/可见/近红外光谱仪、飞秒激光器、皮秒激光器、荧光光谱测试仪、激光 谱仪、高分辨X射线衍射仪、变磁场霍尔测试仪、多光子激发荧光显微成像系统、高速示波器、逻辑分析仪和数字电路开发系统等，以及光学设计分析、多物理场分析等大型 。这些硬件条件，为建设一流的光电子学 奠定了坚实的基础。净化级别：每立方英尺空气中含有尺度大于0.5m的粒子总数不超过X个。0.5um高效过滤排气除尘超细玻璃纤维构成的多孔过滤膜：过滤大颗粒，静电吸附小颗粒泵循环系统20～22C40～46％RH电离栅板空气流空气层

流立式工作台接地腕带电离件接地站垫产生的污染工作区也是最大的污染源之一。即使一个经过风淋的洁净室操作员，当他坐着时，每分钟也可 10万到100万个颗粒，当 移动时，这个数字还会大幅增加。这些颗粒都是来自脱落的头发和坏死的皮肤。其他的颗粒源还有象化妆品、染发剂和 的衣服等。下表列出了从不同操作 的动作中产生的污染物的水平。正常呼吸吸烟后吸烟者的呼吸无微粒500%喷嚏2000%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/人特殊设计及材料定期超纯化学品去离子水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，每步刻蚀与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。普通城市用的水中包含大量洁净室不能接受的污染物，主要有：溶解的矿物

颗粒溶解氧菌有机物普通水中的矿物来自盐分，盐分在水中分解为离子。例如食盐会分解为钠离子和氯离子。每个离子都是污染物。通常采用反渗透和离子交换系统去除水中的离子。去除离子后的水通常称为去离子水。去离子水在25℃时的电阻是18000000Ω·cm，也就是一般称为18MΩ。图5.19显示了当水中含有大量不同的溶解物质时的电阻值。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溶解固体的容量(ppm)25ûC)180000000.0277150000000.0333100000000.050010000000.5001000005.001000050.00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1.掩膜制作（相当于产生一个胶卷底片）用Auto-CAD等画原始图形直写1.掩膜：图形生成1.掩膜：直写掩模版制作过程12.

Finished2.薄膜沉积：制作平面波导Ge：SiO2（5-6um）：波导芯层n=1.45SiO2（12-15um）：波导包层n=1.44硅片（基底）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1）化学气相淀积—Chemical

Vapor

Deposition(CVD)例如：APCVD,LPCVD,PECVD,HDPCVD2）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。例如：蒸发evaporation，溅射sputtering两类主要的淀积方式物理气相淀积（PVD）蒸发（Evaporation）溅射（Sputtering）淀积金属、介质等多种薄膜淀积金属薄膜真空蒸发：在真空中，把蒸发料(金属)加热，使其原子或分子获得足够的能量，克服表面的

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，形成薄膜加热器：电阻丝或蒸发（真空镀膜机）溅射Sputtering-溅射淀积Sputterdeposition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）逸出的现象溅射的种类:直流溅射射频溅射反应溅射磁控溅射准直溅射……….射频溅射—也可溅射介质如靶是绝缘材料，不能采用直流溅射，因为绝缘靶上会有正电荷积累。此时可以使用交流电源。13.56MHz蒸发工艺中的一些问题:对某些元素淀积速率很慢合金和化合物很难采用台阶覆盖差目前大生产很少采用溅射的优点：台阶覆盖比蒸发好辐射缺陷远少于电子束蒸发复合材料和合金性能较好可以淀积介质材料化学气相沉积Chemical

Vapor

Deposition

(CVD)PolycrystallineSingle

crystal

(epitaxy)EpitaxySubstrate化学气相淀积（CVD）单晶(外延）、多晶、非晶（无定型）薄膜半导体、介质、金属薄膜常压化学气相淀积（APCVD），低压CVD(LPCVD)，等离子体增强淀积（PECVD）等CVD反应必须满足三个挥发性标准在淀积温度下,反应剂必须具备足够高的蒸汽压除淀积物质外,反应产物必须是挥发性的淀积物本身必须具有足够低的蒸气压多晶硅淀积方法LPCVD，主要用硅烷法，即在600-650℃温度下，由硅烷热分解而制成，总体化学反应（overallreaction）方程是：SiH4→Si(多晶)+2H2低于575℃所淀积的硅是无定形或非晶硅（amorphous

Si）；高于600℃淀积的硅是多晶，通常具有柱状结构（columnstructure）；当非晶经高温（>600

℃）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（grain

growth）。低温CVD（250~450C）可以同时掺杂，如：PH3，形成PSG磷4PH3

(g)

5O2

(g)

2P2O5

(s)

6H2

(g)也可以PECVD：SiH4

(g)

4N2O(g)

SiO2

(s)

4N2

(g)

2H2O(g)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HD-PECVD可以获得低温（120

C）的高质量氧化硅膜P2O5和SiO2组成的二元硅烷为源的淀积——APCVD，LPCVD，玻璃网络体SiH4

(g)

O2

(g)

SiO2

(s)

2H2

应力小，流动性增加碱金属离子的吸杂中心易吸水形成磷酸氮化硅的淀积方法700

800

o

CLPCVD：

3SiH

2Cl2

4NH

3

Si3

N4

6HCl

6H2质量好，产量高SiH4

NH3

SiNH

3H2PECVD：等离子体中或224SiNxHy膜对水和钠有极强的阻挡能力，可作为最终的钝化层或多层布线中的介质。2SiH

N

2SiNH

3H等离子增强化学气相淀积（PECVD）低温下（200～350

C）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，它们间的化学反应就生成所需要的固态膜。13.56MHz等离子体：物质存在的第四态高密度导电粒子构成的气体极板区域有辉光上标“*

”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基，它们具有不完整的结合状态并且非常活跃。如：SiH3，SiO，F等。原子激发分子激发e*

+

A

A*+ee*

+

AB

AB*+ee*

+

AB

A*+B*+e原子离子化分子离子化e*

+

A

A++e+ee*

+

AB

AB++e+e激发裂解离化等离子体由电子、离化分子、中性分子、中性或离化的分子片断、激发的分子和

基组成。假设流进的气体是由原子A和原子B组成的分子AB,在辉光放电中可出现的过程可有:3.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图形转移技术组成：掩膜版/电路设计掩膜版制作光刻光源系统光刻胶分辨率（高）视场（大）图形对准精度（高）——1/3最小特征尺寸产率（throughput）（大）缺陷密度（低）三种硅片模式及系统接触式接近式投影式1:1系统光刻：正胶与负胶负胶光刻胶上的图形与掩膜图形互补正胶光刻胶上的图形与掩膜图形一样10:15:11:1步进投影式光刻机原理图步进扫描光刻机两个爱里斑之间的分辨率(瑞利判据):0.61nsin1.22f

1.22f

d

n(2

f

sin

)R＝数值孔径：收集衍射光的能力。n为折射率NA

nsin分辨率NAR

0.61

提高分辨率：NA，，光刻步骤简述前烘对准及坚膜后烘248nm157nm13.5nm193nmEUV光刻非光学方法光刻技术）纳米压印（Nanoimprint）基于材料和工艺革新的“侧墙转移”技术（Sidewall/Spacer

transfer

lithographyX射线光刻技术（XRL）离子束光刻技术（IBL）无掩模光刻——

（Shaped

Beam/

Multi-Column

/

Multi-Beams）无光源4.刻蚀技术刻蚀的性能参数刻蚀速率R(etchrate)单位时间刻蚀的薄膜厚度。对产率有较大影响刻蚀均匀性(etch

uniformity)一个硅片或多个硅片或多批硅片上刻蚀速率的变化选择性S(Selectivity)不同材料之间的刻蚀速率比各项异性度A(Anisotropy)刻蚀的方向性A=0,

各项同性；A=1,各项异性掩膜层下刻蚀(Undercut)横向单边的过腐蚀量图形转移——刻蚀：两大关键问题选择性2rS

r1待刻材料的刻蚀速率掩膜或下层材料的刻蚀速率rvert方向性：各向同性/各向异性A

1

rlat横向刻蚀速率纵向刻蚀速率图形转移过程演示图形转移＝光刻＋刻蚀刻蚀要求:得到想要的形状（斜面还是垂直图形）过腐蚀最小（一般要求过腐蚀10％，以保证整片刻蚀完全）选择性好均匀性和重复性好表面损伤小清洁、经济、安全两类刻蚀方法：湿法刻蚀——化学溶液中进行反应腐蚀，选择性好干法刻蚀——气相化学腐蚀（选择性好）或物理腐蚀（方向性好），或二者兼而有之刻蚀过程包括三个步骤：反应物质量输运（Masstransport）到要被刻蚀的表面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湿法刻蚀反应产物必须溶于水或是气相加入NH4F缓冲液：弥补F和降低对胶的刻蚀实BOE：buffered

oxide

etching际或BHF:buffered

HF用各向同性例1：SiO2采用HF腐蚀例2：Si采用HNO3和HF腐蚀（HNA）例3：Si3N4采用热磷酸腐蚀各向异性例4：Si采用KOH腐蚀Si

+2OH-