集成光子器件1.doc

集成光子器件制造工艺简介
中南大学微电子0801林向
发展历程简介
自20世纪60年代首次观察到光波导现象以业，光波导理论迅速发展，各种各样的光子器件相继问世，并尝试应用到了众多领域。不仅产生了半导体激光器、探测器、光调制器、光开关、光放大器和光传感器等单功能的集成器件，而且能够实现多个核心器件集成，形成具有一定复杂功能的器件系统。目前，集成光学针对光通信、光信息处理、光传感和光子计算机所需的多功能光集成体系和混合光电集成体系，把激光器、调制器和探测器等有源器件集成在同一个衬底上，利用光波导、隔离器、耦合器和滤波器等无源器件连接起来，构成集成光路，以实现光学系统的薄膜化、微型化和集成化。

上图为IBMCMOS集成硅纳米光子芯片，IBM的科学家们日前宣布了一种新型芯片技术，将电子、光学设备融合在同一块硅片上，能够显著提升芯片间的通信速度和性能，从而为百亿亿次超级计算机的实现奠定更进一步的基础。HYPERLINK"http://tech.hexun.com/2010-12-06/126010475.html"http://tech.hexun.com/2010-12-06/126010475.html

集成光子器件材料
集成光子器件材料已从初期的单一的玻璃或铌酸锂（LiNbO3）材料发展到了今天的多种材料，特别是硅基、三五族半导体、有机聚合物材料的开发为集成光学进入工程实用奠定了基础。以硅基为衬底的平面波导结构，可实现多芯片光电混合集成。尽管三五族化合物的电光效应不如铌酸锂，但可以实现新型的光波导功能器件，并且是实现单片集成必不可少的材料。而有机聚合物为集成光学的低成本批量生产，产生了巨大的推动力。

以下为几种典型光子器件衬底材料对比
铌酸锂：LiNbO3晶体是集成光学器件中最常用的无机电光晶体材料，其发展已处于比较成熟的阶段。它具有良好的电光、声光效应性能，而且声波衰减系统仅为0.05dB/cm。采用Ti扩散法和质子交换法制作工艺，可以实现高质量、高性能的LiNbO3的光波导。
缺点：会出现“光损伤”。即当LiNbO3晶体工作在短波长的强光功率密度下时，折射率会发生急剧的难以恢复的变化。同时在质子交换时容易发生晶片的炸裂。

硅：对单片集成很适用，适合短波段光通信，但无明显优势。在Si衬底上利用火焰堆积法制成的平面光波回路可适用于激光器、光耦合器、波分复用器、光开关等。

局限：1.间接带隙半导体，难以制作高效率的激光器。2.载流子迁移率低，无法向更高的工作频率发展。

GaAs:Si的弱点恰好是GaAs的长处。属于直接带隙材料，是制作激光器的理想材料。高迁移率可以用来制作高速电子器件和光集成电子器件。技术上容易实现，是实现单片集成最有希望的材料。

小结：集成光学的最佳设想是把光源到探测器的整个集成光路全部集成在一个衬底上，以形成一个紧凑密实的集成光路（理想材料：GaAs和InP）。但是目前仍需要利用那些某种性能（如电光、声光、磁光等）特别优异的无源材料来研制集成光子器件。比如LiNbO3，LiTiO3等。
集成光子器件制作技术
集成光子器件的制作，涉及到化学工艺、真空工艺、半导体工艺等，其中最为关键的是具有特定参数的光波导的形成和特殊形状的器件结构图形的获得。原有的微电子传统工艺如真空蒸发、溅射、扩散、外延、光刻、蚀刻等，在集成光子器件中虽然也得到应用，并有改进和提高，但制作质量良好的波导器件，还必须依靠先进的特殊微细加工技术。

下图为一个典型的集成光器件制作流程图，其流程基本与微电子制造工艺相同，都经过结晶基片的制备、薄膜沉积、上胶、光刻显影、刻蚀、去胶再清洗、扩散等工序。

光波导制备技术
目前LiNbO3是集成光学器件中最常用的电光晶体材料，下面以LiNbO3为衬底材料介绍集成光子器件光波导的制备过程。流程如下图所示：

薄膜生长
包括淀积和外延生长两大类。也可以根据薄膜形成过程中是否有化学性质的变化分为物理淀积和化学气相沉积法。
a.物理淀积方法包括真空蒸发和溅射，简易模型见下两图

b.化学气相沉积法
在发展中产生了很多改进形式，包括常压化学气相沉积、金属有机化合物气相沉积、等离子体增强化学气相沉积等。
光刻
（略，与微电子制造工艺完全相同）
刻蚀
（略）
质子交换
LiNbO3光波导的制备方法有很多种，早期用的较多的是Ti扩散法，现在常用的是退火质子交换法。质子交换法与钛扩散法相比有以下优点：耐光学损伤、可得到阶跃分布的折射率、折射率差与交换温度和时间无关等。
质子交换法本质上属于离子交换过程，即LiNbO3中的LI离子被酸中的氢离子取代。其装置简图如下：

退火处理
质子交换后光波导发生了一些变化，存在一些不足。使用退火处理可以使折射率分布稳定，并且减小传输损耗。退火所需要的主要设备是高温恒温加