集成光学器件的材料

7.2 半导体材料
• 是目前唯一可以同时制作光子有源器件、 电子有源器件、光子无源器件的材料 • 但对于某些特性不是最佳 • 分为： 7.2.1 间接带隙半导体材料 7.2.2 直接带隙半导体材料
7.2.1 间接带隙半导体材料 7.2.2 直接带隙半导体材料
E CB Direct Bandgap Eg VB –k (a) GaAs k –k VB kvb (b) Si Ec Ev Indirect Bandgap, Eg Photon CB kcb Ec Ev k –k VB (c) Si with a recombination center Er CB Ec Phonon Ev k E E
7.1 光子集成用材料的共同要求
• 包括无源器件和有源器件的集成 • 共同要求
– 要易于形成质量良好的光波导，满足器件功能 要求；包括：易于实现光波导；在给定波长范 围内损耗≤1dB/cm – 集成性能良好，即在同一衬底上可以制备出尽 可能多的不同功能的器件；包括制作有源器件 的带隙宽度、阈值等，电/光器件的兼容性等--目前最大的困难 – 材料本身和加工的经济性
SOI光波导特点
1. 可以将SiO2包覆层做的很薄（小于1微
米），便于OEIC工艺的实现
2. 具有抗核辐射能力，在空间和军工应用广
泛 3. 单模波导损耗可以很低，适合制作无源器 件
7.2.2 直接带隙半导体材料
1. InGaAsP材料体系（Ⅲ-Ⅴ族为主）
1. GaAs、InP（二元化合物） 2. InGaAs、AlGaAs （三元化合物） 3. InGaAsP （四元化合物）
1550 nm LD 长波长 PD/APD
表7.2 纤锌矿型GaN、AlN材料体系主要特性
特性 禁带宽度eV 晶格常数（Å） GaN 3.39（T=300K） 3.50（T=1.6K） a=3.189 c=5.185 AlN 7.2（T=300K） 7.28（T=1.6K） a=3.112 c=4.982
?1999 S.O. Kasap, Optoelectronics(P rentice Hall)
光子与半导体作用遵循 能量守恒：
Ec Ev h
动量守恒：p＝ħk
ke kh 0
电子波矢k=2/
7.2.1 间接带隙半导体材料 ---Si
• 优势
– 硅片尺寸大（12‘）、质量高、价格低、机械性能好、 加工方便 – 平面硅工艺是目前最重要的IC工艺，最成熟 – 具有诸如电光等效应、波导损耗低、可制作光检波器 件
• 问题---作为光源量子效率太低，载流子迁移速度 低 • 用途
– 混合集成的衬底---硅基集成光子学！！！ – 光波导及光波导器件（光分波/合波器件，，，） – 热光/电光器件（调制器、开关，，，）
SOI光波导
(Silicon-on-Insulator, 绝缘体上硅) • SOI---低功耗、高速CMOS器件的基本材料，被称为“二十 一世纪的硅基础电路技术”。也具备许多优越的光学特性， 比如低损耗(在光通信波段)、高折射率差，这使得它不但 能用来制作灵巧紧凑的光集成器件，也为利用CMOS微电子 工艺实现光电集成提供了一个很好的平台。SOI材料中作 为波导芯层的硅折射率很大，与作为包层的SiO2之间有很 大的折射率差
2. GaN材料体系
1. GaN、AlN
3. MgZnSSe材料体系
1. ZnSe、ZnS 2. ZnSSe
表7.1 InGaAsP材料体系主要参数
半导体材料 禁带宽度 对应的波长 m eV 折射 率 备注
GaAs
Al0.03Ga0.97As Al0.47Ga0.53As InP In0.76Ga0.24As0.5 5P0.45
(a) In GaAs the minimum of the CB is directly above the maximum of the VB. GaAs is therefore a direct bandgap semiconductor. (b) In Si, the minimum of the CB is displaced from the maximum of the VB and Si is an indirect bandgap semiconductor. (c) Recombination of an electron and a hole in Si involves a recombination center .
1.42
1.46 1.83 1.35 0.95
0.87
0.85 0.68 0.92 1.30
10.62
10.61 3.47 3.40 3.51
LD
850nm LD 1310 nmLD
In0.65Ga0.35As0.7 9P0.21 In0.47Ga0.53As
0.80 0.75
1.55 1.67
3.54 3.56
–衬底材料为Al203（蓝宝石）和SiC，异质外延生 长 –高的缺陷密度 –缺乏解理面（国家“863”计划—VCSEL） – InGaN/GaN量子阱的发光机理不清，热电、压 电 等理论和实验均有许多问题有待解决
第七章 集成光学器件的材料
目录
7.1 光子集成用材料的共同要求 7.2 半导体材料 7.2.1 间接带隙半导体材料 7.2.2 直接带隙半导体材料 7.3 介质材料 7.3.1 LiNbO3和LiTaO3晶体 7.3.2 ZnO晶体 7.4 聚合物材料和玻璃材料 7.4.1 聚合物材料 7.4.2 玻璃材料 7.5 磁性材料
热膨胀系数 (K-1)(T=300K)
热导率(W/cm*K)
△a/a=5.59×10-6 △c/c=3.17×10-6
1.3
△a/a=4.2×10-6 △c/c=5.3×10-6
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折射率
介电常数
n(1eV)=2.23 n(3.38eV)=2.67
8.9
n=2.15
8.5
• 相的GaN为直接带隙半导体，Eg=3.39eV InxGa1-xN的Eg=1.95~3.39eV； AlxGa1-xN的Eg=3.39~7.28eV；均为直接带 隙半导体材料。是紫外LED、LD的主要材料。 • 主要问题：