集成光电子器件及设计-集成光学的材料

第五章

集成光学的材料集成光电子器件及设计2Outline半导体材料:

III‐V,

IV,

etc.玻璃聚合物材料磁性材料GaAs单晶BK7玻璃Ge单晶LiNbO3

单晶37.1

集成光学器件用材料共同要求易于形成高质量光波导，

且可能满足器件功能要求：在工作波长范围内，一般要求光波导损耗<1dB/cm

;

工艺性能好，易于实现：形成具有折射率差的芯层、薄层。易于功能集成（单片集成不同功能元件）。III‐V

族化合物半导体（包括三元、四元化合物）

材料，

可用于有源器件、无源器件，亦可实现与光功能器件相配置的驱动、控制电子器件与集成电路。经济性，包括：材料本身经济性及加工经济性。这很大程度上决定了集成光学器件的实用性，如玻璃光波导。4无源光子器件材料特点包括阵列波导光栅、微环滤波器、光栅、耦合器等

低损耗：波导传输损耗、光纤‐波导耦合损耗、弯曲

损耗；

高集成度；5有源器件材料特点

发光器件、光放大器、光探测器

直接带隙半导体（合适的带隙能量，由工作波长而定）；

芯层、包层材料折射率匹配；

与衬底晶格常数匹配；

低缺陷密度；6可调控光电子器件材料特点包括：可变光衰减器/光调制/光开关、波长变换器件(利用电光、热光、声光、磁光、光‐光等效应）。

材料特点

具有相关效应，且具有高效率、响应速度快等；77.2.

半导体材料用于发光器件的III-V族半导体材料及可使用的波长8纤锌矿结构

六方是自然界中优美而奇妙的结构（蜂巢和苯环）。而六

方纤锌矿结构的材料，不仅展现出精美的微观结构，而且

具有强大的光电功能，因而成为近些年纳米材料合成和性

能研究的热点。

纳米光电器件是人们期望最高、潜在市场最大的纳米材料

和技术应用领域。半导体纳米材料在纳米光电器件中扮演

着核心角色。除去单质的硅和锗以及他们的合金，绝大多

数的半导体都是化合物，有趣的是，它们大多数都具有六

方纤锌矿结构，如II‐VI族的ZnO，CdS以及III‐V族的GaN，

InP等。

对于这类化合物半导体纳米材料的合成方法、形貌结构以

及物理性能的研究是实现纳米光电器件应用的重要基础。

这一类化合物的结构可以概括如下：属于六方晶系，由阳

离子和阴离子密置层沿c轴方向交替堆垛而成。

/lixg/cvd/AlN.htm9闪锌矿型结构(zinc

blende

structure,

cubic

β‐ZnS

structure

)

化合物有：亚铜的卤化物，铍的

氧化物，硼、铝、镓和铟的磷化

物，砷化物和锑化物，以及碳化

硅；

单质碳、单质硅等。10

半导体光电子材料

直接带隙：电子跃迁无需声子参与（动量守恒）；

间接带隙：电子跃迁需要声子参与（动量守恒）

；1.

硅、

锗(Ge)是间接带隙半导体

的代表性材料:制作光源，但可

制作光探测器。2.

硅系器件主要用于短波长带光通信。用于光接收器件的半导体材料及使用波长11间接带隙半导体材料——硅(silicon)在集成微电子领域取得巨大成功。在光子领域?衬底材料。它的优势在于：

硅片尺寸大、质量高、价格低、机械性能好、加工方便；加工工艺与传统微电子工艺（CMOS）兼容，

适合低成本制作硅基光集成器件。CMOS（Complementary

Metal

Oxide

Semiconductor），互补金属氧化物半导体

硅光子学silicon

photonics12硅光子学(silicon

photonics)在光子领域，亦具备诸多独特优势：

超大透明窗口：从近红外直至中红外（低损耗）；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工艺兼容：低成本、大规模生产（Intel、IBM积极介入）；应用广泛：光互连（超级计算机）、光传感芯片等。此外，SOI

材料本身具有抗辐射能力，

能在空间和军事上广泛应用。

Astronomical

Optics

And

Instrumentation,

Astrophotonics,

...13各种硅光子学光波导结构☺热光、电光可调控器件：14硅光子学(silicon

photonics)

☺无源器件：

波分复用器

功分器微腔光接收

光发射如何解决？超低损耗、

超高集成度

硅热光、电光效应

热光、电光开关/调制

器。有源器件：

激光器：间接带隙材料

发光效率低

调制器：晶格对称性

无一阶电光效应

光电探测器：在λ>1.1μm范围透明15

解决方案：

借助于直接带隙材料

——Hybrid

integration

Si

+

III‐V

激光器、调制器、探测器等

(UCSB、Ghent

Univ).•

Si

+

Ge

激光器、调制器、探测器

(Intel,

IBM,

MIT).性质SiGe‐33密度(10kg/cm)2.3285.3267晶格常数(nm)0.5430890.565754熔点1420941折射率3.4223(@5μm)4.0170(@4.87

μm)本征载流子浓度3(1/cm)101.5×10132.4×10本征电阻率(Ωcm)52.3×1050电子迁移率2(cm/V•s)13503900空穴迁移率2(cm/V•s)5001900载流子寿命(μs)13042×10禁带宽度(eV)温度系数‐4(10eV/K)1.119‐2.80.6643,

0.80‐3.9电子亲和能(eV)4.054.13功函数(eV)4.64.8016锗(Ge)与硅相比，锗具有更高的载流子迁移率。带隙更小，在1.3‐1.5μm具有更好的吸收，可用于红外探测器件。与广泛应用的硅工艺有良好的兼容性。与硅的晶格常数相比（5.4315

Å），锗（5.6575

Å）更接近于GaAs（5.6533

Å），可以用作III‐V族半导体与硅工艺相兼容的缓冲层材料。半导体材料带隙能/eV禁带宽度(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直接带隙半导体:III‐V族InGaAsP体系

可实现光源、光放大器和光探测器等，便于光电子集成或全光集

成，且

具有电光效应和非线性光学效应；

InP、GaAs及三元、四元化合物半导体系列是唯一能在同一衬底上实

现从光源到探测器的整个集成光路材料。18GaAsGaAs衬底：成本较低、易于实现大直径晶圆，

且可具备成熟的GaAs

集成电路工艺技术。

是制作激光器的理想衬底材料，尤其是光通信短波长单片集成器件（也可用于长波长器件衬底）。其高迁移率

高速电子器件和光集成、复合光电子集成器件。存在问题：抑制晶格滑移的应力比硅小得多，难以降低晶体位错密度。为阻止位错产生和增殖：（1）一般采用很小的密度梯度来生长晶体；（2）在GaAs

中掺入等价电子介质(

In)来提高晶格滑移的临界屈服应力。对于0.8μm

左右的短波长：在GaAs

衬底上生长晶格匹配的AlxGa1‐xAs

三元混晶；对于~1.3/1.5μm

的长波长：InP

衬底上生长晶格匹配的InxGa1‐xAsy

P1‐y四元混晶。注：在这些半导体材料中，

改变组成元素的比例x

和y

，

可以得到比有源层禁带宽度大的覆盖层用的半导体材料。性质GaAsInP‐33密度(10kg/cm)5.3074.787晶体结构闪锌矿闪锌矿晶格常数(nm)0.5653250.586875熔点12381070折射率4.025(@0.546μm)3.45(@0.59

μm)介电常数13.1812.35电子迁移率2(cm/V•s)80003000空穴迁移率2(cm/V•s)100‐3000150载流子寿命(μs)‐310禁带宽度(eV)‐温度系数(104eV/K)1.424‐3.952.25(I),

1.34(D)‐2.9(D)电子亲和能(eV)4.074.40功函数(eV)4.714.6519InP

更高击穿电压、更高热导率及

电子迁移率；

制作长波长段单片集成器件的

理想衬底材料；

GaAs‐InP晶格失配异质结材料

InGaAsP。

GaAs

&

InP半导体材料带隙能/eV禁带宽度(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

材料质量决定了器件性能。根据晶体生长机理，

晶格失配的外延层材料GaAs‐InP的晶体会发生晶格失配（约3.8%），而使外延层中产生高密度位错。为了防止在InP

衬底上直接生长GaAs

外延层时引起的较大失配位错，

一般采取在外延生长之前，

首先在InP

衬底上生长一层InP缓冲层和GaAs过渡层的方法。

20半导体材料GaNAlN带隙能/eV3.39

(@300K),

3.50

(@1.6K)7.2

(@300K),

7.28

(@1.6K)晶格常数（0.1nm）a=3.189,c=5.185a=3.112,c=4.982‐1热膨胀系数(K)

@300KΔa/a=5.59e‐6Δc/c=3.17e‐6Δa/a=4.2e‐6Δc/c=5.3e‐6热导率（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

为六方晶系纤锌矿结构(α相)或立方晶系闪锌矿结构(β相)。

通常GaN呈纤锌矿结构。22三元化合物In1‐xGaxN

和Alx

Ga1‐x

N

Al

掺入GaN

改变其晶格常数，纤锌矿GaN

和AlN

的晶格常数分别

为a=3.189Å、a=3.112Å，大约有2%

的失配。

In

掺入GaN

导致带隙宽度减小，晶格常数增加。

属直接带隙半导体材料，禁带宽度分别近似线性地从1.95eV

变到

3.39eV

和从3.39eV

变到7.28eV

，覆盖了整个可见光到紫外光波段。

几乎没有其他材料体系能在可见到紫外波段如此宽的可调连续线

性变化的直接带隙。

具有重要应用，尤其是蓝光到紫外波段，在光存储、光通信、彩

色图像显示、军事应用和医疗设备等方面有着广阔的应用前景。23GaN研究历程(始于1930s)Johnson

等人首次制备了GaN

材料：采用金属镓和氨气反应，获得GaN

小晶粒和粉末；1993年Leszczynski

等获得了最大直径为２mm

的针状单晶。由于难以制备大尺寸的体GaN

单晶，

因此只能利用外延方法在合适衬底上异质生长GaN

薄膜。异质外延衬底选择基本原则：

结构相似、

晶格失配小、

热膨胀系数相近、在外延生长温度下热稳定性能好等。早期GaN

外延生长多采用蓝宝石(Al2O3)

作衬底，所生长GaN

是纤锌矿结构。其后人们又广泛研究了其他衬底材料，如Si

、GaAs

、SiC

、ZnO

、MgO

等。目前，GaN

的衬底材料通常采用蓝宝石或SiC

（尤其是Al2O3

）。SiC

本身具有蓝光发光特性，是低阻导电材料，晶格常数与热膨胀系数与GaN

非常接近，

易解理，

但SiC

单晶价格非常昂贵。蓝宝石制备工艺成熟，

价格较低，

在高温下具有很好的稳定性，

但是它不导电、解理困难、晶格常数/热膨胀系数与GaN

相差较大。为解决晶格失配问题，

可采用二步外延生长法：在衬底上先淀积一层AlN

、ZnO

或GaN

多晶作为缓冲层。24GaN发展现状

GaN具有宽禁带、可形成异质结、低表面复合速率、高击穿电

压、异质结沟道中高峰值电子漂移速度、高薄层电子浓度、耐

辐射和物理化学稳定性好、热导率高等特点。

已研制出了GaN基高亮度可见光/紫外光激光器和发光管、及高

性能紫外光探测器等，GaN的VCSEL、DFB激光器等也在发展中。

仍存在问题：

①

材料的高缺陷密度或者说缺乏合适的外延衬

底；

②

材料缺乏解理面，

不利于做端面发射激光器；

③

材料

和器件成本高；

④

InGaN/GaN量子阱发光机理、GaN

基材料热

电和压电效应、InGaNAs

材料等的研究与开发等。25II‐VI族半导体材料：MgZnSSe体系二元化合物ZnSe

、ZnS

和三元化合物ZnSSe

用于制作蓝光激光器，已有光泵浦和电泵浦激光器。对于ZnSSe

，通过改变S

含量大小，可获得达4%的晶格常数调节。如果S

含量较低时，

三元化合物可能形成稳定的闪锌矿结构或纤锌矿结构。II‐VI族半导体材料：ZnO半导体

具有六方结构的宽禁带半导体材料，室温下禁带宽度为3.37eV；

激子结合能高达60meV，比同是宽禁带材料的ZnSe(20meV)和

GaN(21meV)都高出许多，有利于产生室温下的激子发光。

ZnO薄膜生长温度较低（e.g.

<500oC)。

应用：压电器件、太阳能电池、敏元件、压敏元件、缓冲层、紫外

探测器、发光器件。中南大学

26Indian

Nanoelectronics材料ZnOZnSZnSe‐33密度(10kg/cm)4.104.095.265.26晶体结构纤锌矿纤锌矿闪锌矿纤锌矿闪锌矿晶格常数(nm)a=0.32496c=0.52065a=0.3814c=0.62570.5406a=0.4000c=0.6540.5667熔点(˚C)200018501515折射率2.22.42.42.89介电常数7.98.38.38.18.12电子迁移率(cm/V•s)2空穴迁移率(cm/V•s)18014053010051616禁带宽度(eV)‐4温度系数(10eV/K)3.23.83.62.672.58‐9.5‐3.8‐5.3‐7.227II‐VI族半导体材料的性质28直接带隙半导体材料的发光波长297.3

非半导体材料

LiNbO3、LiTaO3晶体：

电光、声光、压电晶体、光波导器件

Ta2O5、Nb2O5：高折射率差、低损耗光波导及器件

聚合物材料：光波导、电光和热光器件

玻璃材料：光波导及器件

磁性材料：磁光器件晶体aαLiNbO35.4944Å55°52´LiTaO35.4740Å56°10´30＂30A.

LiNbO3、LiTaO3晶体LiNbO3(Tc=1210

℃)、LiTaO3

(Tc=

620

℃)具有较高居里温度、较大电光效应和非线性光学系数、较高机械品质因素、较低声损耗。广泛应用于高频传感器、表面声波器件(SAW)、红外探测器、激光调制器和光学波导调制器。在无源集成光学器件中也得到了应用。LiTaO3

集成光器件尺度较大且工作电压较高。3m点群的负单轴晶体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的线性电光系数32LiNbO3特点

性能优异的电光材料：横向应用，沿着晶体的C轴加电场；

优良的声光材料，声衰减系数为0.05dB/cm；

易受光损伤（短波长强光照射时，折射率发生急剧的难以恢复的

变化），原因在于晶体中的杂质影响，已基本解决；亦可用于制

备光波导（超短脉冲的紫外线）。热光效应（~2e‐6）热光开关和调制器；耐热冲击性能差：清洗中冷热水的温差，

进行扩散等热处理时与器皿、工具的接触等都可能造成衬底炸裂，特别是Z

切晶体更为严重。LiNbO3光波导通常采用Ti内扩散技术和质子交换技术实现。B.聚合物材料特点

价格低、制作简单：不必经过扩散、蒸发及外延等真空工艺，

可

以用涂敷和光照等过程，

制作工艺及设备简单。材料的低成本和工艺的低成本聚合物会成为集成光学器件的重要材料。

聚合物光波导具有较低传输损耗、与光纤耦合损耗也较低。

便于与其它材料结合，如淀积在半导体衬底上，

便于实现混合光

电集成。

可通过调节有机材料的组分以实现电光、热光等特性，获得强度

和相位调制

缺点：机械强度差、易被污染而且不易清洗，

尚需大量研究。

常用的有：聚异丁烯酸甲酯（PMMA）

、环氧树脂（expoxy）

、苯并环丁烯（benzocy‐clobutene，

BCB）

、氟化聚酰亚胺（polyimide）

、聚碳酸酯（polycarborates，

PC）等，

其衬底材料主要采用硅。

33性能\类型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玻璃化温度(℃)105100145导热系数‐1W(mK)0.167‐2.2510.100‐0.1380.193用途飞机汽车窗玻璃光学仪器光纤透镜等光盘建筑材料电子电器通讯器材家用电器仪表盘透镜电器零件太阳镜眼镜片34聚合物材料总结35C.

玻璃材料

各向同性非晶态材料（种类繁多）；

熔融石英玻璃(fused

silica)：在1.3μm，1.5

μm

处有极低的光损耗，光纤材料。

SiO2光波导

薄膜形成：

火焰水解淀积（FHD）

热氧化

等离子增强型化学气相沉积（PECVD）

折射率变化：

离子扩散；

掺杂（Ge）36D.磁性材料

磁性晶体与磁性薄膜

铁磁性晶体：EuO,

EuS

亚铁磁性晶体：钇铁石榴石、掺Bi

稀土铁石榴石

钇铁石榴石（

Y3Fe5O12,

简称YIG）在1.1‐1.5μm范围内

较低光吸收系

数，可用于各种磁光器件，如调制器、隔离器、开关、环行器。

YIG

薄膜的衬底：钆镓石榴石Gd3Ga5O12

(gadolinium

gallium

garnet,

GGG)

作衬底、NGG

(Nd3Ga5O12)

、GSGG