补充资料：半导体光电集成材料

半导体光电集成材料
semiconductor optoelectronic integrated materials

半导体光电集成材料semiC0nduCtor叩toe-leetronie integrated materials制作光电集成器件的半导体材料。主要有n卜V族、11一VI族、W一VI族化合物半导体和W族元素半导体。最常用的是砷化稼(GaAs)、磷化锢(I nP)和它们的三元、四元合金材料，以及由它们组成的量子阱材料。 IV一VI族铅盐类直接带隙半导体(Pbse、PbsnTe、Pbsnse、PbSSe、PbsesnTe等)可以做成低温下工作的红外和远红外(2 .5一34刀m)激光二极管、光波导、光开关和光双稳等器件。fl一VI族宽带隙半导体(Z nse、ZnSSe、CdZnse、CdZnSSe等)可做成蓝绿光发光管、在室温连续工作的激光器，以及光波导、光开关、光双稳等元件。砰族元素半导体硅(Si)是用作微电子器件和电路的主要半导体材料，但作为光学材料，它有两大缺点:①它是间接带隙材料，不能做激光器和发光管;②它没有线性电光效应，不能做调制器和开关。但用分子束外延(MBE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)等技术在Si衬底上生长的SIGe/Si应变超晶格量子阱材料，有可能形成直接带隙材料并具有线性电光效应。此外，在Si衬底上异质外延GaAs或InP单晶薄膜，可构成复合衬底材料。 GaAs系材料GaAs的能带结构是直接跃迁型，电子迁移率比Si高约8倍，本征电阻率比Si大3个数量级，适宜制作光电子元件。 300K时，GaAs的带隙宽度为l.424eV。AlxGal_xAs(x<0.37)也是直接带隙半导体，其带隙宽度为1.424一1.929eV。因此GaAs一Al二Gal_二As(x<0 .37)材料的发光波长为0.87一0.64月m;掺杂之后，发光波长范围还可适当扩展。由于铝(AD和Ga的原子半径非常接近，因此它们可以互换而不明显改变晶格常数。GaAs的晶格常数为5.653人，砷化铝(AIAs)的晶格常数为5.661入。这一重要性质，使GaAs衬底上外延AlxGal_xAs层不致产生明显的晶格失配，因而也不会产生大的应力和失配位错密度，这有利于器件的性能如稳定性、可靠性等。利用液相外延(LPE)、分子束外延和金属有机化学气相沉积等外延技术，采用不同结构，已制作出不同波长、性能优良的各类激光器，其寿命长达几万小时至百万小时。在一个GaAs基片上，可以集成一百万个以上电泵浦垂直腔表面发射微型激光器，且连续工作阐值低达mA量级。 GaAs光探测器是吸收光导波的能量，将载流子从价带或陷阱中激发到导带，然后由结电场或肖特基势垒把它们收集起来，完成光电的转换。为了增加吸收和增加光电流，要求探测区材料的带隙比光波能量小。材料的带隙可通过离子注入、杂质扩散或加电场(Franz-Keldysh效应)等办法移动，或采用局部外延生长较低带隙的材料。已制备出GaAs的光吸收探测器、质子注入探测器、PIN(或MSM)光电二极管。 GaAs光调制器是利用在电场作用下GaAs的折射对于10x10召mZ腔面的垂直腔面激光器，阑值电流已低达0.smA，响应带宽高达40GHz。综上可见，量子阱材料以其优异的特性而被认为是今后发展光电集成技术的关键材料。 复合衬底材料要把各种光子和电子元件集成在同一衬底上，除了要解决元件结构和工艺技术的兼容性外，选择同时满足制备性能优良的光子和电子元件的材料，也是十分重要的。为了使不同材料互相取长补短，按要求进行优化组合，发展了一种晶格失配异质外延技术。利用MOCVD、MBE和VPE技术，可生长光电集成的复合衬底材料。例如，在Si片上异质外延GaAs(或InP)单晶薄膜。利用这种复合衬底材料，可以在衬底的si面制作电子元件，在GaAs(或InP)单晶薄膜上制作光子元件。其优点是可以把现有的Si大规模集成电路技术和GaAs(或InP)的光子元件技术结合，改善导热特性，降低成本，提高集成度。又如，在GaAs晶片上，异质外延InP单晶薄膜。利用衬底的GaAs面制作电子元件(如FET)，以克服InP衬底在电子元件方面性能的不足;再利用InP外延膜制作长波长光子元件。但由于这种大晶格失配的异质外延，其外延层的晶体质量还没有达到体单晶的水平，因而对于晶体完整性非常灵敏的少子器件—激光器，其性能还有待提高。如果在InP晶片上异质外延GaAs单晶薄膜，同样是利用GaAs面制作电子元件，利用InP面制作长波长光子元件，但由于激光器(少子器件)是在InP体单晶面上制作的，而GaAs外延层上做的是多子器件(FET)，因此这种复合衬底正好适合两类元件对材料的要求。 利用这些复合衬底材料，已成功地制作出一批光、电子元件，以及光电集成的光发射机和光接收机。这类衬底材料的光电集成，称为异质单片光电集成，其性能正在不断提高犷前景是光明的。 (孔梅影于荣金)率或吸收的变化。在^=0．9“m时，Ga．As的线性电光系数r4l=1．1×10一x2m／V。研制过各种GaAs相位调制器、强度调制器和光开关。由于GaAs器件的导光速度和电波速度之间失配较小，所以行波调制的速率可以很高，其行波电光波导调制器的带宽已超过20GHz。采用多量子阱材料构成的高速光开关，比一般电光器件的长度要短得多，从而有利于提高器件集成的密度。 GaAs光波导的传输损耗较大。但通过合理设计波导结构、降低外延层的载流子浓度、生长较厚的_F包层、采用反应离子蚀刻等办法，GaAs—A1GaAs条波导的损耗已降至1 dB／‘cm以下(在1．52 um波长，已低至0．15 dB／cm)。 此外，还做了GaAs的耦合器、滤波器、波分复用(解复)器、放大器、透镜、偏振器、反射器、衍射光栅、光学双稳器件、电荷耦合器件(CCI))、场效应晶体管(FET)、耿氏((；unn)振荡器等。 在同一GaAs衬底上，已集成了激光器、光探测器和光波导；6个分布反馈(DFB)激光器；5个条形折射波导锁相激光器；激光器与耿氏振荡器或金属半导体场效应晶体管(MESF、E'I、)的集成；4个Ga．As MSM光电二极管与8000个MESFET集成在一起的光接收机芯片；集成4×4 GaAs开关列阵，以及’756×256自电光效应器件(SEED)开关列阵等。这些GaAs光电集成器件适合于光计算、光互连，各种光信息处理和短波长光纤通信系统。 InP系材料InP也是直接带隙半导体。300K时，InP的带隙宽度为1．35 eV；直接带隙材料Ga。In，一。P，As，一，[z=0．47(1一y)]的带隙宽度为1．35～0．75eV，因此InP—Ga。In】一。P，As】一，材料的发光波长为0．92～1．65 am。光纤通信所用的石英光纤，其最低传输损耗和零色散区正好处于这个波长范围之内，因此这个材料体系特别适合于制作光纤通信用的光电集成器件。现已制备出各种模式控制激光器、用蚀刻方法形成腔镜的激光器、表面发射激光器。1．55 am波长的DFB激光器在性能和成品率方面都已突破，已广泛用于长途干线单模光纤通信系统。此外，在一个衬底上，集成5个DF、B激光器的列阵；集成10个DFB激光器的波分复用系统：各种激光器与驱动器、光探测器与前置放大器等的光电集成等也得以实现。如由PIN光电二极管和结型场效应晶体管(．JFf!T)或高电子迁移率晶体三极管(HEMT)构成的光接收机，由激光器和异质结双极型晶体管(HBT)或金属半导体场效应晶体管(MESFErr、)构成的光发射机。 。InP材料，由于金属／半导体接触形成的肖特基势垒小于0．5 eV，以及较高的界面态密度(10地～1013／cm2)，其InP／绝缘体界面的质量不好，故不能做出高质量的金属一绝缘体一半导体场效应晶体管(MISFE'I、)和MESF‘ET。围绕集成化光发射机和光接收机所用的光电集成回路，需要从材料、结构和工艺等方面加以改进。 量子阱材料多功能的量子阱结构材料已被公认为是实现光电集成最适宜的材料。两种或两种以上超薄的半导体层(每层厚几埃到几百埃)交替生长形成的多层结构，就是通常所说的超晶格或多量子阱结构。例如用GaAs和GaA】As两种材料组成超晶格，窄禁带的GaAs构成电子和空穴的势阱，宽禁带的GaAlAs则构成势垒。如果势垒足够厚，以致相邻阱之间的电子波函数交叠很少，则这样的结构就是多量子阱；而由两层GaAlAs中间夹一层GaAs组成的结构，则称为单量子阱。 量子阱中的电子和空穴的运动由于受到阱壁势垒的限制，在垂直于阱壁方向(即材料生长方向)的运动被局域化，其能量量子化地形成一组束缚态；而平行于界面的运动是自由的，阱中的载流子可以看成是二维的电子气和空穴气，它们的能量是以分立能级为基底的一系列子能带，其状态密度也将减少一个维度的贡献，由三维运动时的抛物线状的态密度分布函数变成了阶梯状分布，从而呈现出许多新的物理特性。利用这些特性发展r一系列新的光电子器件。量子激光器是其中最有代表性的器件。用量子阱结构作有源区的激光器的阈值电流密度可低达10 A／cm2，比通常的双异质结激光器的降低了100倍。阈值电流密度的降低导致器件功耗的显著减小，而低功耗是光电集成化对器件的基本要求。此外，量子阱激光器的张弛振荡频率可高达30 GHz，比通常的双异质结激光器高4～5倍。激光器调制速率的极大提高，信息的快速传输，也是实现光电集成的基本要求。 量子阱结构在光调制、光开关方面也有重要应用，由于量子阱中处于激发态的电子空穴对所组成的自由激!手受到阱壁的约束，使其具有室温激子强饱和非线性吸收特性，以及较体材料更强的在电场下激子峰红移的量子限制Stark效应。现已研制出多种结构的光调制器和光双稳态器件，它们具有快速(ps量级)、低功耗(』zW量级)、室温工作和体积小等优点。如已作出的多量子阱电光调制器，在l～2 V的调制电压下，凋制深度可达9()％以上，具有很好的线性度，尤其是在低偏置下运行，功耗很低，而调制带宽可高达100GHz。此外，它还能较容易地实现与低阈值量子阱激光器的集成，不需增加复杂的制备工艺。又如利用量子阱作I区的PIN结构的量子阱自由光效应光双稳态器件(SEED)，开关能量可低达l pJ，响应时间短于1 ns。 发展光器件的集成面阵，如光开关面阵、激光器面阵等；是发展光电集成的重要方面，它们是二维光电子信息处理技术发展的关键部件。由于量子阱材料比体材料有更大的峰值增益和更小的体内损耗，适宜制作垂直腔面激光器面阵，以实现不用光纤的光束互连。现已在西2”的衬底上成功地集成了32×64个垂直腔面激光器。

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