硅基光电集成优秀课件

GexSi1-x/Si光波导材料
迄今为止，GeSi材料已广泛用于研制光波导，MQw红外光探测器、光 波导调制器、光波导定向耦合器、X和Y型光波导分支器。研制GexSi1x/Si光波导材料的方法有MEB(分子束外延)、CVD、Ge扩散法等.
硅基光电集成
内容
光子集成回路(Photon Integrated Circuit，PIC)和光电子集 成回路(Optic Electronics Integrated Circuit，OEIC)不仅可 以在大容量、高保密的光纤通信中应用，而且能在光学遥 感、传感，光互联、光计算、光数据存储及光电显示等领 域发挥重要作用。 PIC和OEIC是在光纤通讯和计算机的高速发展下提出来 的．在电子计算机中列入光互连，被称为混合光/电子计算 机．用PIC取代集成电路，就是光计算机。无论用PIC还是 OEIC取代集成电路，开展硅基PIC 、 OEIC的研究是必由 之路。
Байду номын сангаас
材料
OEIC所使用的材料有Ⅳ族的Si、Ge和I～V族化台物的GaAs、InP及其三、 四元合金等半导体材料。 由于硅具有更高程度的晶体完整性、优良的机械。热学性能和大尺寸以 及硅微电子技术的成熟性，在目前的PIC、OEIC研究中更加受到重视。
硅基光波导材料及其光传输损耗
1．1 外延硅材料(n—si／n+一si、p—si／p+一si) 利用SiH4、SiCl4在约1160C温度下的分解井同时掺杂，可在商 业n+-Si、p+Si片上沉积而得n-si/n+-Si、p-Si/p+-Si.衬底掺杂高 达10+19cm-3，外延层掺杂可低到10+13cm-3。对本征Si单 晶，λ=1.30um．其折射率n=3.505； λ=1.55um ，其折射率 n=3.480；由于自由载流子浓度的增加，其折射率下降(△n)和 吸收系数增大(△a)，这称之为等离子体色散效应。 △n可达10e-2量级，所以等离子体色散效应是比较明显并 可以利用的，可用于制作Si外延光波导及硅电学调制开关等有 源或无源器件.外延硅波导材料主要是微电子工业用的si (111)(用于CMOs电路)．Si(100)(用于双极型电路)片。
外延硅波导器件的插入损耗低，与光纤的耦台效率高。但由 于衬腐高浓度的载流子对光能量吸收使传输损耗过大，其波导 芯与包层的相对光折射率差较小，导致弯曲光波导的曲率半径 大，器件的尺寸也就大．制约了集成度的提高。
SOI光波导材料
SOI(Silicon on InsulatoT)波导材料的制备方法有区熔再结晶(ZMR)、直接链合 与背刻蚀(SDB—BE)、氧离子注入隔离(sIMOx)等。zMR—sOI光波导的损耗 太大．sDB—BE—sOI的硅单晶层质量好，但厚度及其均匀性的控制较难。相 对而言，SIMox-s0I是比较理想的光波导材料，但是由于氧离于注入形成的 siO2层的厚度一般不超过0.5um，它对光的限制还相当有限。另外．由于单模 条件的限制，且s-与Sioz的折射率差别很大，导光的st层仅需要不足0.3um 厚．其脊形波导与光纤耦合时需用过渡透镜等光学元件，sOl光波导分为平板 波导和条形波导。对于sOl平板光波导而言，根据模色散曲线的重合性，Sio。 层只需o．2pm就足够厚了m]。sOI平板光波导中导波层的吸收损耗中t本征吸 收限为1．1pm．不在1．3～1．6}啪的窗口，所以本征吸收是根小的。非本征 吸收在室温时主要是自由裁流子吸收。sOI平板光波导导模的尊模总吸收损耗 <o．2dB·cm～，sIO。屡有泄露损耗”⋯。A，F．Eva璐等m3通过调节sOI脊 型波导的宽高比，研制的大截面sOI脊型光波导对x二1．31pm光的TE。(TM。) 模的传输损耗≤2．6 dB·cm。
si基siO2光波导材料
sl基siO2光波导材料已广泛用于研制光干涉仪、热光开关阵列、分／台束器、放大 器、窄带滤波器、方向耦台器、阵列波导光栅(AwG)等光通讯用器件以及谐振型光 学陀螵仪的环形谐振腔等．其制备方法有火焰水解法(FHD)、化学气相沉积(cVD)、 溶胶凝胶法(soI Gel)等。 FHD工艺是通过控制H2、O2、sicl4的流量在si衬底上沉积并经过高温固化后得到 达几十um厚的slO2薄膜。此法可以掺GeO2或TiO2来调节折射率，结合RIE工艺可 以制作损耗小于0.6 dB·cm-1(λ=1.55um)的二维或三维波导。slO2层的残余应力、 均匀性等影响光传输的因紊与制备工艺的关系有待深入研究与实践。 CVD:蒸发正硅酸乙脂(TEOS)形成sio2过渡层(约10um)到si衬底上，再沉积掺锗的 SiO2层作为波导层，利用图形掩膜并经过刻蚀形成波导条后再沉积不掺杂siOz包 层，所得的3dB分束器的损耗低于．05dB·cm。此法的最大优点是与半导体工艺相 容，沉积的siO：膜厚及膜的残余应力可控。 采用Sol—Gel工艺“63制备光波导材料的原料有正硅酸乙脂(TEos·AP级)、乙醇 (cP级)与异丙醇(cP级)的混合物、去离子水、盐酸(AP级．作催化剂用)，用Sol— Gel工艺得到凝胶膜后，在有一定湿度的气氛中进行热干燥处理，摄后得到SiO： 光波导薄膜材料。可以通过调整原料配比、控制干燥过程的相对湿度和升温速率来 调控材料的应力以至于不开裂，但厚度难以控制，制各材料的时间较长(数天)，波 导层与包层的折射率匹配不易调控。因为si与sio。的晶格常数的差异，S。J一6eJ 工艺制备的SiOz层的厚度通常只有不足lpm，太厚容易产生裂纹l且由于 二者折射事相差太大而引起辆台失配．
简介
硅 基 PIC 、 硅 基 OEIC 芯 片 包 括 异 质 结 晶 体 二 极 管 电 路 、 激 光 二 极 管及其驱动/保护电路、光放大器、调制器、光开关、耦合器、快速 光探测器，小面反射器、分束/合束器、光波导、光纤等，技术上与 微 电 子 工 业 的 CMOS 工 艺 兼 容 ， 只 需 对 光 波 导 器 件 、 光 探 测 器 件作适当调整“。