第六章 常见光波导材料与工艺

• 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18 000 000Ω ·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， 溶解固体 电阻 的容量 (ppm) (Ohms · cm 工艺水的目标是 25 û C) 18MΩ 。 18 000 000 0.0277 15 000 000 0.0333 水中的细菌是通 10 000 000 0.0500 过紫外线去除。 1 000 000 0.500
不同材料矩形单模波导的宽度
SiO2：n=1.44 Ge： SiO2：n=1.45 5~6 μm 30~40μm 500nm 220nm
两种波导的 优缺点？
SiO2：n=1.44 Si： n=3.4
做出的器件尺寸很小，但与 光纤耦合损耗大
做出的器件尺寸大，但与光 纤耦合损耗很小
如希望对光纤耦合损耗小：不同材 料的光波导结构
表4 发展阶段 第一阶段 第二阶段 第三阶段 波长 (m) 0.85 1.30 1.55 光纤发展阶段及所需材料 模 数 多 模 单 模 单 模 衰 耗 (dB/km) 1.5 0.8 0.16 中继距离 (Km) 10 60 500
第四阶段
2 -- 5
3×10-4
2500
光纤材料:
石英玻璃： SiO2、SiO2-GeO2、 SiO2-B2O3-
手摩擦脸 步行 用脚跺 地板 200% 200% 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 人体 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 定期清洗 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 的化学刻蚀与清洗，每步刻蚀与清洗后都要经过 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 菌 溶解氧 二氧化碳 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。
660 650 610 583 555
GaN
SiC
Α -Al2O3
SiC
蓝
蓝
490
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
(6)光纤与光缆材料(网络)(表4)
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 )
（8）敏感材料
1.
2.
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
SiO2 Si InP LiNbO3 聚合物(如 PMMA)
芯层折射率 @1550nm
1.45 3.4-3.5 3.2 2.2 1.3-1.7
芯层/包层材 料
Ge:SiO2 /SiO2 Si/SiO2 inP、GaAs/ 空气
芯层/包层折 射率差
0-0.5% 50-70% ~100%
损耗dB/cm @1550nm
0.05 0.1 3 0.5 0.1
Ag(Ti):LiNbO 0.5% 3/ LiNbO3 都是聚合物， 0-35% 靠配比改变 折射率差
集成光电子器件的材料
教师：宋军
光电子材料包括：
（1） 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 ) （2） 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）… （3）红外探测材料（军用为主） HgCdTe、 InSb、 CdZnTe、 CdTe （4）半导体光电子材料，见表2
波导折射率与模式
n2 sin c n1
n2
θc n1
n2
同样厚度 的硅波导 和二氧化 硅波导哪 个能有更 多模式？
为什么通常希望 波导厚度与模式 使用单模波导？
Helmholtz equation: Schrödinger equation:
[ k n ]U ( x) 0
集成光电子学中的主要制备技 术
横截面
Si
SiO2
硅片
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
经验告诉我们，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伤害。
（5）显示材料 发光二级管（LED）如表 3
表3
发 光 尺
Ga0.65Al0.35As GaAs0.35P0.65(N) GaAs0.1P0.9(N) GaAs0.1P0.9(N) GaP
LED 发光材料及可见光区
衬 底
GaAs GaP GaP GaP Gap
发光颜色
红 红 橙 黄 绿
波长（nm)
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 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，最新的是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。
脊形光波导
WHY？
脊形光波导的作用是增 大光斑面积
对大折射率差材料， 如用普通矩形，则 单模波导尺寸很小
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
AgNO3
V
Li
Ag
LiNbO3
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， 只改变光传播路径等（光耦合器，光纤光 栅，阵列波导光栅，光滤波器等）
人类毛发的直径
1 微米
1 cm = 10 000 微米
1、空气净化
From Intel Museum
三道防线: 环境净化（clean room） 材料清洗（wafer cleaning） 吸杂（gettering）
光电所
• 投资4000万元的光电子学研究所实验大楼坐落在深圳大学文山湖畔。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实验室，有电子级超 纯水制备系统、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 诊断技术、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多个测试实验室和真空光电子器件、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多个工艺实验室。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、三维视频显微镜、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、激光拉曼谱仪、 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 场分析等大型软件。这些硬件条件，为建设一流的光电子学研究所奠定了坚 实的基础。
2 x 2 2 0 2
[
1 2 x V E ] ( x ) 0 2m
V
x
nclad ncore
nclad
nclad ncore n
?
V0
E3 E2 E1
Vwell
x
1-d potential well (particle in a well)
对波导折射率差越大相当 单模波导最小宽度： 于势阱越深，芯层厚度越 大代表势阱越宽，那么可 Wc 2 2n n 以容纳的模数就越多
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
超细玻璃纤 维构成的多 孔过滤膜： 过滤大颗粒， 静电吸附小 泵 颗粒 循 环 系 统
20～22C 40～46％RH 排气除尘
电离栅板
空气流
空气 层 流立式工作台
接地 腕带
在线 电离 件大的污染源之一。即使一 个经过风淋的洁净室操作员，当他坐着时，每分 钟也可释放10万到100万个颗粒，当人员移动时， 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、染发剂和暴露的衣服等。下表列出了从不同 操作人员的动 正常呼吸 无微粒 500% 作中产生的污染物的 吸烟后吸烟 者的呼吸 喷嚏 2000% 20% 安坐 水平。
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
截止波长c由其带隙能量 Eg决定： c = hc / Eg
光吸收系数 (cm-1) 光穿透深度 (m) 光子能量增大方向
(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 < < 截止 材料吸收强烈 (as很大) 所激发的载流子寿命短
(粒子的能级越高越不稳定)
集成光电子材料
材料 SiO2 Si
应用
光通信应用的无源器件材料
集成芯片，光通信无源材料，太阳 能电池
半导体激光器，探测器，放大器， 电光调制器 目前最好的电光调制器，声光调制 器 热光效应，潜在的电光效应
InP/GaAs/AlGaAS 等三五族 LiNbO3
聚合物(如PMMA)
平面光波导的类型
1-d 光限制 cladding core cladding 平板波导 nlow nhigh nlow 氧化硅、聚合物 2-d 光限制 硅、三五族
core
nhigh
nlow
nlow nhigh nlow 脊形波导
cladding 条形（矩形）波导
cladding 铌酸锂 core 渐变折射率 (GRIN) 光纤 阶跃折射率光纤
用Auto-CAD等 软件画原始图形
电子束直写
1.掩膜：图形生成
1.掩膜：电子束直写
掩模版制作过程
12. Finished
2.薄膜沉积：制作平面波导
表2 主要化合物半导体及其用途
领域 微电子 GaAs、InP GaAs 光电子 GaAs InP GaAs GaP、GaAs、GaAsP、GaAlAs、 InGaAlP CdTe、CdZnTe、HgCdTe InSb、CdTe、HgCdTe、PbS、 PbZnTe GaAs、InP、GaSb Sb InAs 材 料 器 件 电脑 携带电话 光通讯 遥控耦合器 出外显示器 热成像仪 红外探测器 太阳能电池 用 途 超高速 IC FET LD 红外 LED LEP — — —
100 000 10 000 5.00 50.00
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
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
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
1.掩膜制作（相当于产生一个胶卷底片）