Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料光弹效应与光弹效应光电子器件

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1、ⅢⅢ−−ⅤⅤ族化合物半导体材料族化合物半导体材料光弹效应光弹效应与与光弹效应光电子器件光弹效应光电子器件邢启江2006年凝聚态物理北京大学周五论坛报告内容一.引言（概念，器件优点，研究概况）二.高稳定金属应变薄膜三.薄膜应变条形成的应力场分布、介电常数变化和光弹光波导特性四.条形窗下材料内光弹波导形成及其热稳定性五.组合薄膜结构形成的光弹光波导结构六.光弹效应光电子器件（光弹激光器、光调制器、光耦合器、光弹光波导、材料带边调制）七.结束语一一..引言引言1.1光弹效应的概念光弹（Photoelastic）效应：在外力作用下或者由于材料

2、生长不均匀等，半导体材料内存在一定的应力场分布，该应力场使相应区域内介电常数ε（或者折射率）发生变化。亦即，材料内弹性应变引起光学参数（例如，介电常数或折射率）的变化。什么是光弹光电子器件？其器件优点什么？1.2光弹光电子器件与传统器件的区别（介绍内容）ò一般光电子器件结构（1）宽接触激光器（实际激光器：1.光的侧向限制；2.载流子侧向限制）（2）脊条激光器结构（3）掩埋双异质结结构ò光弹效应光电子器件结构ò光弹光电子器件优点1.2.11.2.1宽接触半导体激光器示意图宽接触半导体激光器示意图（分别限制双异质结结构）（分别限制双异质结结

3、构）p-ohmiccontactP+-InGaAs,0.530.470.04µmP+-InP,0.2µmp-InP,0.6µmnUndoped-InP,0.2µmInGaAsP,0.35µm,λg=1.23µmn-InP,SubstrateUndoped-InP,0.1µmò制作工艺：n-InP,0.5µm1.外延片生长，2.减薄3.欧姆n-ohmiccontact接触，4.谐振腔ò射激条件：1.粒子数反转；2.谐振腔；3.增益大于损耗（净增益>0）ò缺点：工作电流大，不能室温连续工作1.2.21.2.2脊条形激光器剖面结构脊条形激光器

4、剖面结构对光和载流子侧向限制（例对光和载流子侧向限制（例11））ò制作工艺：1.外延片生长2.光刻→化学腐蚀3.沉积绝缘介质层4.重复1.2.1工艺ò缺点：非平面；条较宽1.2.31.2.3掩埋双异质结激光器剖面结构对光和载流子侧向限制（例对光和载流子侧向限制（例22））ò制作工艺：1.外延片生长2.光刻→腐蚀倒台面3.二次外延片生长4.重复1.2.1工艺ò缺点：1.准平面；2.工艺复杂；3.倒台面易断（影响成品率）1.2.4光弹效应激光器器件结构ò制作工艺：1.外延片生长2.光刻、沉积薄膜3.重复1.2.1工艺ò应变条作用：1.形

5、成波导，对光的侧向限制；2.金属薄膜应变条又是He离子注入的掩膜；3.与顶层形成良好的欧姆接触并充当电极。ò制作工艺不损伤晶体材料。1.低损耗光波导2.提高器件质量1.2.5光弹效应光电子器件优点（和传统器件结构比较）（和传统器件结构比较）（1）薄膜应变条的多功能作用决定：器件结构简单、工艺制作简单（2）不需要化学腐蚀和二次复杂再生长：晶体不受损伤→光传输损耗小。（3）平面型结构：→适合大规模集成?问题：光弹器件有这样优点，为什么最近对此进行深入研究!!1.31.3光弹光电子器件研究历史ò19781978年年SelwaySelway就提

6、出：光弹波导用于集成的可能就提出：光弹波导用于集成的可能性。性。ò19791979年年kirkbykirkby在在GaAlAs/GaAsGaAlAs/GaAs外延片表面沉淀外延片表面沉淀SiOSiO2、SiSi3NN4应变薄膜产生光波导，研制成应变薄膜产生光波导，研制成GaAlAs/GaAsGaAlAs/GaAs条形激光器。（条形激光器。（J.J.ApplAppl.Phys.,1979,.Phys.,1979,50(7):456750(7):4567））难点：难点：1.应变薄膜的热稳定性差2.薄膜的应力难以控制研究进展：新工艺重新引起光

7、弹光电子器件研究兴趣1.利用金属－半导体之间界面反应形成界面层2.样品加负偏压，射频溅射倔强系数大的金属小结小结光弹效应光电子器件优点ò平面型器件结构→光电子器件集成ò金属应变薄膜多功能→对光和载流子侧向限制、欧姆接触（1）器件结构简单；（2）制作工艺简单；（3）避免化学和重复生长→保持晶体完整性，提高器件质量。ò应变薄膜制作新工艺，为光弹光电子器件实际应用创造有利条件二二..高稳定高稳定金属金属应变薄膜应变薄膜2.12.1应变分类及薄膜应变量的测定应变分类及薄膜应变量的测定压应变张应变òS：单位长度应变力，R：曲率半径，t：薄膜厚度，

8、E：杨氏摸量，υ：泊松率，d：外延片厚度2EdSt==σdyncm/61R()−υò有了表述方法和测量手段，下面介绍两类薄膜性质。Appl.Phys.37,2429—2434（1966）2.22.2高稳定应