集成光波导制造技术

N1>N2
n1<n2
n2
4.3 降低载流子浓度形成波导
定量表达式如下：
Ne n = n0 − * 2 2nε 0 m ω
n : N : 折射率 单位体积内自由载流子的数目
2
（4.4）
所以有：
(N3 − N2 )e2 ∆n = n2 − n3 = 2n2ε0m*ω2
（4.5）
4.3 降低载流子浓度形成波导
目录
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7
薄膜淀积 替位式掺杂 降低载流子浓度形成波导 外延生长 电光波导 氧化 沟道波导的制造方法
4.7 沟道波导的制造方法
利用刻蚀的方法制造脊波导 波导层 衬底 光刻胶 步骤1：利用前面介绍的工 艺方法制造出平板波导。
步骤2：在波导层上均匀涂 上光刻胶，掩模，UV曝光。
步骤3:显影。
步骤4：对未受保护 区域进 行刻蚀，然后去除表面光刻 胶。
4.7 沟道波导的制造方法
刻蚀：把材料未掩模部分选择性地去掉。 湿法刻蚀---用化学溶液腐蚀无胶保护的膜，生成溶于水的副产物。 优点∶简单，成本低，选择比高。 缺点∶各向异性差，气泡阻碍，小线条速率慢，有底膜区难腐蚀。 方式∶浸没式、喷淋式。 干法刻蚀---用等离子体等方法选择刻蚀。 优点∶各向异性腐蚀,横向腐蚀小，适合刻细线条。 缺点∶设备复杂、成本高，表面有一定的损伤。 方式∶高压等离子体、反应离子刻蚀（RIE）、高密度等离子体（HDP）、 离子束刻蚀（IBE）
4.4 外延生长
下图为利用气相外延（VPE）生长的Ga(1-x)AlxAs多层波导
n2 n3
Ga(1-x)AlxAs Ga(1-y)AlyAs
guide layer confining layer
GaAs Substrate
y>x
4.4 外延生长
分子束外延（MBE）:在超高真空条件下，由一种或者几种加热原子或分 子束与晶体表面进行反应生长外延层的工艺。MBE既能精确地控制化学 配比，也能精确地控制掺杂分布，利用MBE可获得原子层量级的多层单 晶结构。因此MBE方法能够精确制备从几分之一微米直到单原子层的半 导体异质外延薄膜。 通常MBE的生长速率非常低，比如GaAs的生长速率一般只有1um/h。
4.4 外延生长
利用MBE法制备Ga(1-x)AlxAs
此MBE生长系统集薄膜淀积、 清洗以及原位化学特性兼容 于一身。Ga,As,Al和掺杂剂分 别放在用热解氮化硼做的喷 射炉内，所有喷射炉都放在 超真空室中。各个炉子的温 度可调，以便获得所需的蒸 发速率。衬底支架可连续旋 转以获得均匀的外延层。
4.2 替位式掺杂
Fick’s law(菲克扩散方程)：
∂C ( x , t ) ∂ C ( x, t ) =D 2 ∂x ∂t
2
C : 杂质浓度 D : 扩散系数 x : 距离衬底表面的垂直距离（在此只考虑一维情况，认为杂质在y、z 方向上均匀分布） t : 时间
4.2 替位式掺杂
杂质原子的扩散分布与初始条件和边界条件有关。一般来说主要有两种主 要的扩散方法：恒定表面浓度扩散方法和恒定杂质总量扩散方法。它们分 别满足以下的关系式： 恒定表面扩散浓度：
集成光波导制造技术
光子学与光通信研究室：蔡万杰 朱露 朱洁 俞斌
引言
集成光波导的制备有两个基本的条件： 1：波导层与周围介质层有一定的折射率差； 2：波导层对所要传输的光透明。 为了获得满足特定折射率差的光波导，可以使用不同的半导体制造工艺方 法，每一种方法都有其各自的优缺点。所以在进行方法的选择时，需要根 据设计的目标和现有的设备条件进行合理选择。本章将介绍制造集成光波 导常用的工艺方法。
4.1 薄膜淀积
利用溶液实现薄膜淀积：衬底材料与溶液发生化学反应，从而在衬底上生 成电介质膜
优点： 成本低，设备简单 缺点： 薄膜纯度不高，均匀性不好
目录
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7
薄膜淀积 替位式掺杂 降低载流子浓度形成波导 外延生长 电光波导 氧化 沟道波导的制造方法
4.1 薄膜淀积
溅射：离子源被加速后撞击靶面，溅射出的材料淀积在对着靶的衬底上。
气体 入口
电源
靶 圆片 衬底
真空泵
4.1 薄膜淀积
被加速的离子可以由以下两种方法产生： 1： 2： 对气体施加高电压产生等离子体 （对应于课本图4.1） 利用离子枪产： 3： 4： 入射能量 离子密度 溅射材料 入射角度
4.4 外延生长
金属有机物化学气相沉积（MOCVD） MOCVD是在气相外延生长(VPE)的基础上发展起来的一种新型气相外延 生长技术.它以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族元素的氢化物等作 为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延。 优点：适用范围广泛；生长易于控制；纯度高。 缺点：所使用的氢化物有剧毒；设备复杂。
x
z y
4.5 电光波导
电光波导的优势：可以用电对其进行控制，因此可用于光开关和光调制器。
需要注意两个问题： 1： 由于电光效应的各项异性，所以衬底晶体的晶向和传输波的偏振态必 须加以仔细考虑； 2： 给肖特基势垒施加反向偏置电压的时候要防止雪崩击穿。
目录
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靶
靶
轻离子注入
重离子注入
4.2 替位式掺杂
退火： 由于注入离子形成损伤区和无序簇，而且大部分注入的离子不是以替位形 式处在原有原子位置上，所以必须在适当的温度和时间下对半导体进行退 火。退火可以消除晶格损伤，并且使注入的离子形成替位式掺杂。 退火主要分为两种：常规热退火和快速热退火
4.2 替位式掺杂
薄膜淀积 替位式掺杂 降低载流子浓度形成波导 外延生长 电光波导 氧化 沟道波导的制造方法
4.6 氧化
半导体可以采用多种方式进行氧化，其中包括热氧化、电化学阳极氧化以 及等离子增强化学气相沉积（PECVD）。在这些方式中，热氧化是硅器 件最重要的氧化方法。对于III –V族材料，热氧化所产生成分一般偏离化 学配比，所以一般不用III-V族材料的氧化物。 下列化学反应式描述了硅在氧气（干氧化）或水蒸气（湿氧化）中的热氧 化反应：
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薄膜淀积 替位式掺杂 降低载流子浓度形成波导 外延生长 电光波导 氧化 沟道波导的制造方法
4.4 外延生长
epitaxial(外延)
{
epi ------ ”依附在…….表面上” taxis ------“有序排列”
外延分为同质外延和异质外延： 同质外延：外延层和衬底材料相同。例如N型Si能在N+型Si衬底上进行的 外延生长。 异质外延：外延层和衬底材料的化学属性相同但结晶结构不同。例如在 GaAs上生长AlxGa1-xAs
S i + O 2 → S iO 2
Si + 2H 2O → SiO2 + H 2 ↑
4.6 氧化
典型的硅氧化工艺设备示意图
热氧化的基本装置如图所示，反应器由电阻加热炉、圆筒形融凝石英管 （管内装有立放在开槽石英舟上的硅片）以及高纯水蒸气或高纯干燥氧气 的气源组成。氧化温度一般控制在900到1200度之间，气流速率通常约 为1L/min。氧化系统采用微处理器来调控气体流入顺序，控制硅片的自 动推入及拉出，控制炉温自动从低温线性地升高至氧化温度，使硅片不致 因突然改变温度而翘曲，同时，还要保持氧化温度变化在 ±1oC 之间。
4.2 替位式掺杂
掺杂： 把可以控制数量的杂质导入到特定的材料中。
替位式掺杂
填隙式掺杂
4.2 替位式掺杂
本章主要介绍了三种掺杂的方法： 1： 扩散 2： 离子交换 3： 离子注入
4.2 替位式掺杂
进行杂质扩散的典型做法是把半导体晶片放置在能够被精确控制的高温石 英管炉内，并通以含有待扩散杂质的混合气体。
扩散
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薄膜淀积 替位式掺杂 降低载流子浓度形成波导 外延生长 电光波导 氧化 沟道波导的制造方法
4.3 降低载流子浓度形成波导
机理：半导体材料的折射率随自由载流子密度的增加而减小。
N1 N2
N: 单位体积自由载流子的数目 n: 折射率
n1
若 则
（注：erfc为余弦误差函数） 满足恒定总杂质量条件的菲克扩散方程的解为：
S x2 C ( x, t ) = exp(− ) 4 Dt π Dt
（注：这个表达式为高斯分布）
4.2 替位式掺杂
利用离子交换进行掺杂的方法： SiO2衬底中掺杂了Na,将衬底加 热到300度，Na离子在电场的 作用下向阴极移动。衬底的表 面浸渍在熔融的硝酸铊中，部 分Na离子会与Tl离子发生交换， 从而使衬底的上表层折射率变 高。
C (0, t ) = CS C ( ∞, t ) = 0
∞ x =0
恒定杂质总量 ：
∫ C ( x, t )dx = S
C ( ∞, t ) = 0
4.2 替位式掺杂
由于这两种扩散情况的初始条件和边界条件不一样，所以最后的杂质浓度 分布曲线不一样。 满足恒定表面浓度条件的菲克扩散方程的解为：
x C ( x, t ) = CS × erfc( ) 2 Dt
常规热退火与快速热退火技术比较 常规热退火 加工形式 炉况 加热速率 循环周期 温度检测 热预计量 尘埃问题 均匀性和重复性 生产效率 分批式 热壁 低 长 炉 高 存在 高 高 快速热退火 单片式 冷壁 高 短 晶片 低 最小化 低 低
4.2 替位式掺杂
离子注入 VS 扩散
离子注入 温度 浓度深度控制 重复性 范围控制 横向扩散 杂质纯度 晶格损伤 制造费用 低温 精确 好 大 小 高 大 极高 高温 较精确 较好 小 大 低 小 低