上海交通大学 硕士学位论文 利用光波导技术测量半导体材料参数的研究 姓名：张竞 申请学位级别：硕士 专业：光学 指导教师：曹庄琪 20060101 上海交通大学硕士学位论文 I 利用光波导技术测量半导体材料参数 的研究 摘 要 利用光波导技术测量半导体材料参数 的研究 摘 要 对材料进行各种光学参数的精确测量，不论是作为微电子和光电子材料的 应用，或是作为光学零部件以及近代半导体工艺技术中衬底材料的应用都有重 要意义。因而在半导体光学性质的研究和应用过程中，已经发展了多种半导体 以及其他固体光学常数测量的实验方法和理论计算。 本文首先介绍了双面金属包覆波导的性质，自由空间耦合的基本原理及其 超高阶导模的特殊性质. 硅片的光学参数不能用常用的棱镜波导耦合方法直接测量，因为.棱镜 耦合所能测的导波层的厚度一般在 m 量级，当导波层厚度达到 mm 量级时， 在大角度情况下，棱镜耦合的波导模式几乎连续，对测量系统的角度分辨要求 过高，实际中无法做到；.棱镜波导耦合方法所能测的波导层的折射率须小 于棱镜的折射率；.棱镜耦合的空气隙需要调节，实际中极为不便，结构复 杂，无法测量边缘部分。我们提出用双面金属包覆介质波导的自由空间耦合方 法来测量硅片的折射率。得到了比较好的效果，且此方法非常简便可行。 此外,针对生长于强吸收衬底上的透明薄膜，我们提出在该薄膜上镀一层 薄金属；形成金属薄膜强吸收衬底的类波导结构。由于小角度入射光在强 吸收衬底上具有较强的反射率，使该结构可容纳一系列共振模。利用自由空间 耦合技术和本文导出的共振模的模式本征方程，可同时确定透明薄膜的厚度和 折射率。在实验中测量了硅衬底上制备的 PMMA 薄膜的折射率和厚度，测量 的相对误差均小于 3 10 。本方法具有简便、可靠，可测量任意折射率薄膜的优 点。 上海交通大学硕士学位论文 II 关键词关键词: 双面金属包覆, 直接耦合,光波导,半导体材料,折射率测量,厚度测量. 上海交通大学硕士学位论文 III Investigation of Measuring Parameters of Simi- conductors Materials with Optical Waveguide Technology Abstract The precise survey of optics parameter carried on the materials is not only important for the micro-electron and the photoelectron material application, but also significant in application as optics spare parts as well as the substrate material in the modern semiconductor craft technology. Thus, there are many kinds of experimental techniques and theoretical calculation in surveying the optics parameters of semiconductor materials. This article firstly introduces the nature of double mental-cladding waveguide, basic principle of the free-space coupling and special nature of high mode. Optics parameters of the silicon chip cant be accepted by the commonly used prism waveguide coupling method. Firstly, the thickness of waveguide is too thick. Secondly, refractive index of the wave conducting is larger than the prisms refractive index. Thirdly, the air-layer of prism coupling is not convenient to be adjusted. So we propose to survey the refractive index of silicon with double mental-cladding waveguide and the free-space coupling method. We got a good result and this method is very convenient to carry out. We propose to deposit a thin metal layer on a transparent film, which is grown out of an absorption substrate. As a result, an analogue waveguide configuration of metal-transparent film-absorption substrate, which can accommodate a series of resonant modes, is formed due to a bigger reflectivity on the absorption substrate for the small angle of incidence. Based on the free-space coupling technique and the eigenvalue equation of the 上海交通大学硕士学位论文 IV resonant modes derived by the standard electromagnetic field theory, the thickness and refractive index of the transparent film are simultaneously determined with a relative accuracy of 3 1 10. The proposed method is simple and reliable, and can be used for the film with arbitrary range of refractive index. Keywords: Double mental-cladding, Free-space coupling, Optical waveguide, Semi-conductor material, thickness, refractivity. 上海交通大学 学位论文原创性声明 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：张 竞 日期： 2006 年 1 月 18 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：张 竞 指导教师签名：曹庄琪 日期：2006 年 1 月 18 日 日期：2006 年 1 月 18 日 第一章 综 述 1 第一章 综第一章 综 述述 在过去的一个世纪中，电子技术的发展异常迅速，特别是集成电路技术按 照摩尔定律已经发展了将近40年，几乎进入了我们生活的每一个方面。但是， 随着集成电路特征尺寸的缩小和集成度的提高，特别是因特网的出现和各种新 业务对带宽的要求，也出现了很多新的、难以解决的问题，如因特网骨干网在 普遍实现高清晰度电视传送时产生的带宽问题绝不是可以用电的方法解决的。 于是科学家们开始专注光子技术的研究，希望可以用光子取代电子实现信息的 存储、处理和传输。 光相对电有很多优点，但控制却相当困难，这使得光器件的研究和应用一 直步履蹒跚，难以取得重大的进步。1987 年，EYablonovitch 在研究抑制自 发辐射时，提出了光子晶体的概念。几乎同时，S.John 在讨论光子局域时也独 立 地提出了相同的概念。光子晶体概念的提出向人们展示了一种全新的控制光子 的机制，它完全不同于以往利用全反射来引导光传输的机理，给光通信技术的 发展和应用带来了新的生机和活力. 如果希望光子在通信领域能够得到广泛的应用,就要找到一种象实现微电子 芯片那样的方法和途径,制造出集成化的微光子芯片. 微光子领域的研究目的是 仿效在电子域内把晶体管和其他电子装置集成在一个芯片上的技术来压缩光子 开关、光纤、激光器、探测器并把它们集成在一个光路上。集成光路出现于1969 年前后，在它的产生和发展过程中，贝尔实验室的一批科学家起了重要作用。 目前集成光路已从基础研究和开发研究进入到工程应用阶段。集成光学是研究 媒质薄膜中的光学现象和光学元器件集成化的一门学科。它是在激光技术发展 过程中，由于光通信、光学信息处理等的需要而逐步形成和发展起来的。它要 解决的实质问题是获得具有不同功能、不同集成度的集成光路，以实现光学信 息处理系统的集成化和微小型化。集成光学理论的核心是媒质波导理论，它有 助于人们深入了解波导中光学现象的物理本质，并用于光波导、器件和光学回 路的研究设计。人们常常把波导中的光学现象（如传播、耦合、调制等等）的 研究，称为导波光学。经过人们不懈的努力，已从不同角度建立了媒质波导理 第一章 综 述 2 论体系。首先，是建立在麦克斯韦尔方程组基础上的媒质波导电磁理论；其次， 从射线光学角度，建立了锯齿波模型的波导理论，即把波导中的光波看成是在 薄膜的上下两个界面来回反射的光线，而且走的是一条锯齿形路程。从锯齿波 模型出发，可以比较简单和直观地推导模方程，讨论媒质波导理论的基本概念， 处理棱镜、光栅耦合器、表面散射等许多问题；另外还从量子力学角度，建立 了势阱模型的波导理论。 由于光波的波长比波长最短的无线电波还要小四个数量级，因而具有更大 的传递和处理信息的能力。然而传统的光学系统体积大、稳定性差、光束的对 准和准直困难，不能适应光电子技术应用发展的需要。采用类似于半导体集成 电路的制造方法，把光学元件以薄膜形式集成在同一衬底上的集成光路，是解 决光学系统集成问题的一种有效途径。这样的集成器件具有体积小、性能稳定 可靠、效率高、功耗低、使用方便等优点。集成光路的应用领域是多方面的， 除了光纤通信、光纤传感器、光学信息处理和光计算机外，导波光学原理、薄 膜光波导器件和回路还在向其他领域，如材料科学研究、光学仪器、光谱研究 等方面渗透。 集成光路所用的媒质材料应具有一定的折射率，一般要比衬底的折射率高， 做成光波导以后，传输损耗要求小于每厘米一分贝。媒质材料应具有多种功能， 工艺上便于成膜和器件制作与集成，在外界各种工作环境下具有长期稳定的性 能。已探索过的材料有玻璃、半导