有关微纳光电子制造的认识及解析

课程论文题目：有关微纳光电子制造的认识及解析专业：学号：班级：学生姓名：论文完成日期：2015年12月16日摘要：微纳光电子技术是当今国际热点科学研究领域之一，本文首先介绍了目前主流的几类微纳光电材料以及响应器材，继而聚焦于了该领域的所开展的特色工作及其中主流材料的应用原理和剖析。关键词：二元光学；PS变换；微光学导光板；微光学平面集成相关器；低维半导体纳米材料。1前言目前，人类社会正在进入一个全新的信息化和网络化的时代。信息化社会的急速到来，既给作为信息科学技术支撑的微纳光电子技术的发展带来了新机遇，同时又对它们今后的发展提出了新的挑战。微纳光电子技术是当今国际上热点科学研究领域之一，在光电子器件日趋集成化和精密化的发展中担当非常重要的角色。它所研究的是在微纳尺度下光电子的运动传输特性、光电子与物质的相互作用规律、相关的操控及其应用技术等。本技术旨在基于现代微纳光学和电子学原理，挑战相关的、具有重要社会或经济价值的技术问题，包括微纳光电子材料技术以及微纳光电子器件的制造和诊断技术等。2主流的微纳光电材料的基本介绍1.1微纳发光材料和器材微纳发光材料主要采用微纳颗粒作为发光基质，包括纯的及掺杂的微纳半导体发光材料，稀土离子及过度金属离子掺杂的纳米氧化物、硫化物、复合氧化物、及各种微纳无机盐发光材料等。微纳发光材料主要用于各种微纳发光器件如微纳发光二极管或微纳激光器的设计及制备，它可以实现宏观块体材料所不具备的发光性质。1.2微纳光波导材料及器件微纳光纤是微纳光波导材料的典型代表。按照材料划分，微纳光纤可分为玻璃光纤（包括石英系玻璃光纤光纤、卤化物玻璃光纤及硫系玻璃光纤）、塑料光纤、晶体光纤等。微纳光纤器件包括光纤无源器件（分为光纤连接器、光纤耦合器、光隔离器、光波分复用器和解复用器、光开关、光衰减器、光纤光栅、光纤滤波器等）、光纤激光器、光纤放大器等。1.3微纳光探测材料及器件微纳光探测器件用于实现光信号的转换和检测，是光电信息系统的关键环节和技术，主要包括光敏电阻、光电二极管、光电池等器件。光敏电阻的主要材料包括微纳尺度的金属硫化物、硒化物和碲化物等。光电二极管的主要材料包括微纳尺度的硒、硅、锗等。光电池的材料主要包括微纳尺度的单晶硅、非晶硅、化合物、多晶硅等。1.4光子晶体及器件光子晶体是一种折射率在空间中呈周期性分布的物质结构，通常有两种及两种以上具有不同折射率的材料构成。光子晶体器件包括光子晶体光纤、光子晶体发光二极管、光子晶体激光器等。3主流微纳光电材料应用，剖析及原理3.1微纳半波导材料微纳光波导的基本功能是实现光波的低损耗传输,是芯片光互连的基础,其传输损耗是评价微纳光波导加工质量和传输性能的基本指标。微纳光波导由于其尺寸比常规光波导小1～2个数量级,光耦合的难度和不确定性都很大,造成传输损耗的测量相对困难。探讨了可用于微纳光波导传输损耗测试表征的几种方法,包括截断法、法布里珀罗(Fabry-Pérot,F-P)腔谐振谱条纹对比度分析法、傅里叶(Fourier)变换法等,对上述方法在测试精度、适用条件方面进行了分析对比。研究表明,截断法受光纤耦合不确定性的影响测量误差较大;FP腔谐振谱条纹对比度分析法能够消除光纤耦合不确定带来的误差,但是只能测量单一F-P谐振腔的波导结构,无法测量复杂的多腔结构;傅里叶变换法能够消除波导和光纤耦合状态的不固定带来的误差,并通过相邻峰位的比值来提取出波导的传输损耗。3.2微纳光探测材料族量子阱红外探测器(QWIP)、雪崩光电探测器(APD)、谐振腔增强探测器(RCE-PD)光电导器件在不同的应用领域发挥重要的作用。在研究中，理论计算与仿真是指导实验的便捷路径，也是检验实验的方式之一，具有不可或缺的意义。1.对AlxGa1-xAs/GaAs与InGa1-xAs/GaAs两种材料体系的QWIP进行理论计算与分析。采用APSYS软件分别对两种材料体系吸收波谱进行对比，并结合等效电路模型，考察它们对甚长波段的探测。结果表明相同结构情况下InGa1-xAs/GaAs比AlGaAs/GaAsQWI的吸收率更高，Al0.15Ga0.85As/GaAs与In0.15Ga0.85As/GaAs量子阱器件对15μm响应波长，后者的响应率、量子效率明显高于前者。另外，探索仿真了THzAl0.05Ga0.95As/GaAsQWIP的部分性能，在50K温度时，仿真结果与实验值取得了较好的吻合。2.关于InGaAsP/InPAPD探测的仿真研究。针对双电荷层SACM-APD改变InGaAsP电荷层中P组分优化异质结构，结果表明InGaAsP材料中P组分比在0～30％之间，低偏压下具有较好的漏电流抑制作用。此外，比较分析了相同材料与尺寸的双电荷层SACM与SAGCM结构的InGaAs/InPAPD，仿真结果表明，引入渐变层结构可以降低暗电流(低偏压下)，并且提高增益。并且，依据得出的仿真结果，降低电荷层、倍增层厚度，渐变层高掺杂等方式，设计了一个低偏压高增益的APD器件，为高性能APD器件的设计提供有效依据。3.从理论原理上阐述了影响RCE-PD器件性能的主要参数。对器件量子效率等参数进行研究。着重考虑了两底端分布布拉格反射镜(DBR)材料的设计及反射镜对数对谐振腔反射率的影响。此外，针对RCE-PIN-PD器件的内在寄生效应与外加电阻电感等进行了适当的分析。特别对瞬态时间响应受寄生电阻、吸收层厚度、寄生电感以及探测器面积等的影响进行了讨论，对实际器件应用有一定的指导意义。3.3光子晶体材料众所周知，很多的研究都是起源于对自然界不同领域存在类似现象的假设开始的。因为宇宙万物遵循着相同的规律，即使外表再怎样的千变万化，而内在的规则却是有着高度一致性。这正是宇宙的神奇之处，也是人类难解的秘密。光子晶体的产生亦是如此，它是科学家们在假设光子也可以具有类似于电子在普通晶体中传播的规律的基础上发展出来的。从晶体结构图中，我们可以看出晶体内部的原子是周期性有序排列的，正是这种周期势场的存在，使得运动的电子受到周期势场的布拉格散射，从而形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。电子波的能量如果落在带隙中，就无法继续传播。其实，不论是电磁波，还是其它波如光波等，只要受到周期性调制，都有能带结构，也都有可能出现带隙。而能量落在带隙中的波同样不能传播。简言之，半导体中离子的周期性排列产生了能带结构，而能带又控制着载流子（半导体中的电子或者空穴）在半导体中的运动。相似的，在光子晶体中是由光的折射率指数的周期性变化产生了光带隙结构，从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中的运动。4微纳光电材料的分支和发展微纳光电技术做为信息技术的基石，推动了无线通信技术不断向前发展，碳是地球和宇宙含量最丰富的元素之一，是构成有机材料和生物材料的基本元素；而且，碳原子的2s和2p轨道能量差很小，容易耦合杂化产生具有特征去向的新轨道，预示碳可以具有多种同素异形结构。1985年，英国天文学家克罗托（HarryKroto）和美国Rice大学化学系的斯莫里（RichardSmalley）等在实验室条件下模拟红巨星（碳星）的状况时，检测到非常稳定的由60个碳原子构成的类似足球结构C60富勒烯球，结构优美、性质丰富而被评为1986年年度分子并在1996年诺贝尔化学奖。1991年和2004年，碳的同素异构体再增新成员，单壁碳纳米管和单层石墨烯材料相继被制备成功，尤其是后者的制备成功被授予2010年诺贝尔物理学奖。一种元素的异构体的发现先后二次且分别获得诺贝尔物理和化学奖，在元素周期表中是第一个元素，这一方面说明碳作为明星分子的重要性，同时也预示一个新的以纳米电子为特征的“碳器时代”的到来。碳基材料的发展也促进了碳基微纳电子器件的快速发展，其中最重要的一类器件是碳基太阳能电池。太阳能电池发展经历了三个阶段。以硅片为基础的“第一代”太阳能电池其技术发展已经成熟，但单晶硅纯度要求在99.999％，生产成本太高使得人们不惜牺牲电池转换率为代价开发薄膜太阳能电池。第二代太阳电池是基于薄膜材料的太阳电池。薄膜技术所需材料较晶体硅太阳电池少得多，且易于实现大面积电池的生产，可有效降低成本。薄膜电池主要有非晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池、碲化镉以及铜铟硒薄膜电池，其中以多晶硅为材料的太阳电池最优。第三代太阳电池主要有叠层太阳电池、多带隙太阳电池和热载流子太阳电池等。其中，叠层太阳能电池是太阳能电池发展的一个重要方向。太阳光光谱可以被分成连续的若干部分，用能带宽度与这些部分有最好匹配的材料做成电池，并按禁带宽度从大到小的顺序从外向里叠合起来，让波长最短的光被最外边的宽隙材料电池利用，波长较长的光能够透射进去让较窄禁带宽度材料电池利用，这就有可能最大限度地将光能变成电能。在未来毫米波通信系统中，如果采用这种新型碳基太阳能供电装置，可减少供电网络复杂度和减小功耗，满足高密度基站布放的需求。20世纪90年代发展起来的纳米电子学现在已成为国际上最为活跃的研究课题之一。随着器件小型化的不断发展和集成度的不断提高，传统的硅基半导体器件已经逼近了其极限尺寸。与此同时，随着实验制备工艺和合成技术的发展，越来越多的纳米材料和纳米结构不断涌现。得益于微小的结构和敏感的量子效应，纳电子器件在信息感知、物质探测等方面具有先天的优势。相比于传统器件，其具有灵敏度高、能耗低、尺寸小、易集成的优点。如利用双层石墨烯结构中带隙随层间距变化原理制成的压力探测器，利用碳纳米管和电子隧穿效应构建的质量探测器，利用耦合作用、电子隧穿效应构建的DNA碱基序列探测器等5总结光电子技术是当今世界高科技发展的重要领域，世界各国（地区）都制定了相应的发展战略和和计划指导和推进微纳米光电子技术的发展，将支持微纳光电子技术领域的研究工作作为21世纪科学技术创新的驱动器，它的迅速崛起会对未来的光通讯，生命科学，计算机和能源技术等产生革命性的影响，从而大大的推动人类政治经济社会的发展进程。参考文献[1]刘维民.Al2O3基微纳米光学材料的研究[D]2013.[2]邢佑强,邓建新,岳鸿志,等.WS_2/Zr.新型平面光学相关器材及其背光模组[P][3]彭平.纳米技术的应用和发展,2010.[4]赵清亮,梁迎春,程凯,等.一种一体化微光学配量:[7]胡小唐,王清月,张国雄,等.基于4f结构平面构成集成相关器材研究2004:53-57.[8]郭隐彪,王振忠,彭云峰,等.微纳米光学器材的广泛应用(自然科学版),