05-半导体光电材料

1复习1，IC器件进行平坦化所需的CMP技术主要针对哪些材料。金属导电层材料：Cu、W；氧化物绝缘介质材料：SiO2，低k绝缘材料；阻挡层(Ta、TaN)；浅沟道隔离（SiO2,Si3N4）；贵金属和多晶硅等。2复习平坦化技术光刻刻蚀。2，IC制造工艺中几大关键技术？3半导体光电材料半导体光电材料的发展半导体激光器材料新型半导体光电探测器材料光电子集成电路及光子集成电路材料4半导体光电材料是一门发展极为迅速的边缘学科，同时也是一门实践性很强的应用学科。半导体光电材料是光电信息技术的重要基础和组成部分。通过了解当今材料科学和工程的新概念、新理论、新技术、新工艺，把握材料科学与工程的前沿及最新动向。材料类型主要包半导体光电功能材料、低维功能材料（薄膜、异质结构、超晶格）。半导体光电材料5半导体光电材料了解半导体激光器的理论基础光电子集成电路的基本知识重点：半导体光电材料基本要求61半导体光电材料的发展光电材料是由光的基本粒子—光子—扮演主要角色的材料。发光二极管（LED）激光（LD）光探测器太阳能电池将电能转化为光能将光能转化为电能半导体器件物理7半导体光电子学的产生可以追述到19世纪，那个时候人们就发现了半导体中的光吸收和光电导现象。上个世纪60年代得到飞速发展，这主要归因于半导体激光器（LD）的出现。1962年第一台半导体激光器诞生，是由美国GE公司的霍尔(Hall)研制成的。这一时期的半导体激光器的特点是：同质结材料，激光器的阈值电流密度特别高，只能在液氮温度（77k）或更低的温度下状态脉冲工作，没有任何实用价值。1半导体光电材料的发展8世界上第一只半导体激光器是1962年问世的同质结型激光器。在同一种材料上制作的pn结二极管。在正向大电流注人下，电子不断地向p区注人，空穴不断地向n区注入。于是，在原来的pn结耗尽区内实现了载流子分布的反转。由于电子的迁移速度比空穴的迁移速度快，在有源区发生辐射、复合，发射出荧光，在一定的条件下发生激光，这是一种只能以脉冲形式工作的半导体激光器。1半导体光电材料的发展材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。91969年发明单异质结构激光器。两种不同带隙的半导体材料薄层，如GaAs,GaAlAs所组成。1970年，实现了激光波长为9000A，室温连续工作的双异质结GaA(砷化稼一稼铝砷)激光器。双异质结激光器电流密度大大降低，实现了室温下连续工作，就在同一时间低损耗光纤研制成功。1978年出现了世界上第一只半导体量子阱激光器(QWL)，它大幅度地提高了半导体激光器的各种性能。1半导体光电材料的发展10光纤通信的发展对半导体光电子技术提出了越来越高的要求，因而促进了半导体光电子学的进一步发展.近三十年是半导体光电子学发展最快的一个时期，现在它已经发展成为一门独立的学科，半导体光电子技术是当今各国广泛关注的高科技领域。1半导体光电材料的发展11半导体激光器：因其体积小、耗电少、寿命长，应用领域十分广。VCD(780nm)、CD-ROM、DVD(635nm,650nm)中读取数据；激光打印、计算机直接印刷；医疗中切割，内窥镜光源；工业中打孔、焊接、切割；光纤通信中光发射机的核心，泵浦源，中继器;军事上：测距、红外夜视，激光雷达，激光制导，激光打靶。1半导体光电材料的发展/器件及其应用121半导体光电材料的发展/器件及其应用13发光二极管（LED-LightEmittingDiode）。低电压、低功耗、高亮度、寿命远比白炽灯长，响应速度快。可见光的用作家电、仪器设备的指示灯，七段数字显示、图形显示、交通指示灯、汽车尾灯，室外大型显示（三色全了）。不可见光的用在遥控器、光通信、传感器中。1半导体光电材料的发展/器件及其应用14半导体光探测器：光电成像，自动控制，辐射测量，弱信号探测，军事上，跟踪、制导、侦察、遥感。太阳能电池：耗电低的产品，如万用表、时钟、电子计算机（LCD-liquidcrystaldisplay）显示的，灯塔，海上航标灯，人造卫星，家用太阳能热水器。CCD图象传感器（固体摄像器件）：传真机、扫描仪、摄像机、数字照相机中都用到，光谱分析。1半导体光电材料的发展/器件及其应用152半导体激光材料激光器一般由工作物质、激励源和光学谐振腔三部分组成。第一台激光器是美国科学家梅曼发明的红宝石激光器。16对于半导体激光器也是由这三部分组成：工作物质：有源区；谐振腔：晶体的自然解理面；泵浦源：电源。半导体激光器具有层状结构,其作用相当于固体激光器的聚光腔；谐振腔是利用半导体本身的晶体解理面形成内反射腔，这使得半导体激光器结构很紧凑；半导体激光器的电源简单，电流电压都很小，工作使用很方便、安全，优点。2半导体激光材料17半导体激光器是靠注入载流子工作的。若发射激光，需具备三个基本条件：要产生足够的粒子数反转分布，即高能态粒子数足够地大于低能态的粒子数。要有一个合适的谐振腔能起到反馈作用，使激射光子增生，从而产生激光振荡。要满足一定的阈值条件以使光子增益等于或大于光子损耗。2半导体激光材料182半导体激光材料半导体能带中存在高的电子态密度，可以得到比其它气体或固体激光器工作物质高几个数量级的光增益系数。半导体同一能带中不同状态的电子之间存在相当大的互作用，电子跃迁留下空状态将迅速由其它电子补充，所以半导体激光器有很高的量子效率和很好的高频响应特性。可以将载流子直接注入发光二极管或激光器的有源区中（电子-空穴复合区），因而有很高的能量转换效率。半导体材料作为工作物质。19目前已制成激光器的半导体材料有GaAs、InAs、GaN、InSb、CdS、CdTe、PbSe、PhTe、A1GaAs、InPAs等。2半导体激光材料激光波段不断扩展，红外半导体激光器670nm红光半导体激光器波长为650nm,635nm的激光器蓝绿光、蓝光半导体激光器l0mw量级的紫光乃至紫外光半导体激光器。202半导体激光材料阈值电流：由几百mA降到几十mA，直到亚mA；寿命由几百到几万小时，乃至百万小时；从最初的低温(77K)下运转发展到室温下连续工作；功率转换效率高(已达10%以上、最大可达50%)；体积小、重量轻、结构简单；电能直接转换为激光能、便于直接调制、省电等优点。目前，固定波长半导体激光器的使用数量居所有激光器之首，某些重要的应用领域过去常用的其他激光器，已逐渐为半导体激光器所取代。21半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。2半导体激光材料22单异质结注入型激光器(SHLD)是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在GaAsP-N结的P区之内。阀值电流密度降低，其数值比同质结激光器降低了一个数量级，但单异质结激光器仍不能在室温下连续工作。2半导体激光材料/单异质激光器工作原理有源区：P-N结区中对光场有放大作用的区域。硅片有源区:做有源器件的区域232半导体激光材料/双异质激光器工作原理双异质结激光器是在P型和N型材料之间生长了极薄的具有较窄能隙材料的一个薄层。因为注入的载流子被限制在该区域内(有源区)，因而注人较少的电流就可以实现载流子数的反转。AlxGa1-xAs:最重要的异质结材料。24在x＞0.37时，Ga1-xAlxAs中的电子将由直接带隙变为间接带隙跃迁，因此不能用；GaAlAs作有源材料制作发射波长λ＜0.65μm的激光器。xeVEg247.1424.145.00x245.0147.1247.1424.1xxeVEg145.0x2半导体激光材料/双异质激光器工作原理AlxGa1-xAs:25x=0,GaAsEg=1.42eV，d=5.6533Åx=1,AlAsEg=2.17eVd=5.6605Å2半导体激光材料/双异质激光器工作原理1.24()cgmEAlxGa1-xAs:晶格系数变化小，带隙变化大。262半导体激光材料半导体激光器结构对其阈值的影响272半导体激光材料/超晶格层状结构半导体量子阱和超晶格的出现标志着人们不仅可以利用自然界中已存在的半导体，而且可以人工制造新型的半导体材料。由于量子阱、超晶格是由两种材料组成的，所以可选择不同的材料，设计具有不同禁带宽度和光学性质的量子阱、超晶格，制作新型的光电器件，这称为“能带剪裁工程”。28把能够对电子的运动产生约束并使其量子化的势场称之成为量子阱。2半导体激光材料/量子阱激光器利用这种量子约束在半导体激光器的有源层中形成量子能级，使能级之间的电子跃迁支配激光器的受激辐射，这就是量子阱激光器。有源区能级分立。292半导体激光材料/量子阱激光器导带与价带态密度惯用的抛物线形式被替换成阶梯形式。每一能级对于每单位面积固定的态密度，因此有一群近乎相同能量的电子可与近乎相同能量的空穴复合。有源层内粒子数反转浓度很高。QW激光与传统的DH激光相比，在性能上有明显的改善，如域值电流减小，输出功率高，速度快。30单量子阱(SQW)激光器：把普通双异质结(DH)激光器的有源层厚度做成数十nm以下的一种激光器。多量子阱(MQW)：势垒较厚以致于相邻势阱中电子波函数不发生交迭的周期结构。2半导体激光材料/单、多量子阱激光器量子阱激光器单个输出功率现已大于1w，承受的功率密度已达lOMW/cm3以上。通常可以把许多单个半导体激光器组合在一起形成半导体激光器列阵，输出功率则可达到l00w以上。312半导体激光材料/分别限制（SCH）SCH：Separateconfinementheterostructure光和载流子分别限制322半导体激光材料/多量子阱结构GRIN-SCH比SCH结构更能有效地约束载流子和光场，因此阈值电流更低。33低维(量子线和量子点)2半导体激光材料/量子线和量子点342半导体激光材料/量子线和量子点量子线、量子点是利用分子束外延，半导体微细加工技术等手段制成的。量子线中的电子在横向两个方向上的运动都受到限制，横向限制的尺度在100nm以下，电子只能在一个方向上自由运动。量子点中，电子运动在三个方向上都受到限制。由于量子限制效应，原来电子运动的能带将会分裂成一系列分立的量子能级，态密度发生本质的变化。因此，量子线和量子点中的电子运动分别具有一维和零维的特点。用量子线或量子点制成的激光器，预计阈值电流将进一步降低，达到μA量级，同时特征温度大大提高。352半导体激光材料/量子线和量子点激光器量子点三个维度的尺寸都在100nm以下,其内部电子在各方向上的运动都受到局限.36WettingLayer3DIsland(a)(b)(c)InAsGaAsnm2半导体激光材料/量子线和量子点激光器37在量子阱中引入应变和补偿应变可以改善QW激光器的性能，出现了应变QW激光器和补偿应变QW激光器。减小了空穴的有限质量，从而减小了价带间的跃迁，使QW激光器的阈值电流显著降低，量子效率和振荡频率再次提高。价带间跃迁的减小和俄歇复合的降低而进一步改善了温度特性，实现了激光器无致冷工作。在阱和垒中分别引入不同应变（张应变/压应变）实现应变补偿，不仅能改善材料质量，从而提高激光器的寿命。2半导体激光材料/应变QW激光器38在半导体激光器中，光学谐振腔通常采用两种方式形成：用晶体天然的解理面形成法布里-珀罗谐振腔（F-P腔），当光在谐振腔中满足一定的相位条件和振幅条件时，建立起稳定的光振荡。这种激光器称为F-P腔激光器。利用有源区一侧的周期性波纹结构提供光耦合来形成光振荡，如分布反馈（DFB）激光器和激光器。2半导体激光材料/分布反馈(DFB)式半导体激光器DBR，DistributedBraggReflectorsDFB，DistributedFeedBack39分布反馈(DFB)式半导体激光器是伴随光纤通信和集成光学回路的发展于1991年研制成功。它是一种无腔行波激光器，激光振荡是由周期结构(或衍射光栅)形成光藕合提供