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你可能喜欢1前言；1.1序言；光子晶体是在空间上不同介电材料（或者金属）按周期；子晶体中引入缺陷，和缺陷态吻合的光子就有可能被局；1.2砷化镓的基本性质；砷化镓，一种重要的半导体材料；锗高3个数量级以上的半绝缘高阻材料,用来制作集成；1.3光子晶体简介；1987年,Yablonovitch和John分；我们知道在半导体材料中,由于周期势场的作用,电子；在光子晶体内的某
光子晶体是在空间上不同介电材料（或者金属）按周期性排列的一种新型光控材料?1-2?。近年来人工制造的光子晶体在光电集成领域得到了重要的应用，今后光子晶体在光电领域的角色会越来越重要。光子晶体的两大特性是具有带隙结构和光局域。不同折射系数的介质在空间按一定周期排列，当空间周期与光波长相当时，由于周期性带来的布拉格散射，就能够在一定频率范围内产生光子禁带（也称PBG结构），当光子的频率落在带隙频率范围内光就不能在介质中传播而是被反射掉。另外，光子在光子晶体中呈现很强的Aderson局域??，这样，在光3
子晶体中引入缺陷，和缺陷态吻合的光子就有可能被局域在缺陷态内，形成较好的滤波。1996年以来先后研制成功了光子晶体直角波导，光子晶体光纤、光子晶体超棱镜、光子晶体反射镜等众多光学器件。1998年，美国sndia国家实验室采用多层沉积／刻蚀方法，制作成的三维光子晶体探测头，可以大大提高探测的灵敏度，是现有尺寸最小的三维光子晶体。三维光子晶体虽具有广泛应用潜力，但是制作工艺复杂，制作非常困难。二维（2D）周期结构光子晶体亦有大大改善光学器件的优良性能，制作工艺比较简单，研究二维光子晶体仍然意义重大。晶格结构、质柱形状、相对介电常数和填充率不同的二维光子晶体具有不同的带隙结构，在未来全光器件中的检波、滤波及波分复用等方面具有不同的应用价值。通常情况下，光子晶体带隙越大，则其性能越稳定，也就越有应用价值。因此，寻找大带隙、结构简单的二维光子晶体仍具有十分重要意义??。 4
1.2砷化镓的基本性质
砷化镓，一种重要的半导体材料。属Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体。化学式GaAs，分子量144.63，属闪锌矿型晶格结构，晶格常数5.65×10?10m，熔点1237℃，禁带宽度1.4eV。砷化镓于1964年进入实用阶段。砷化镓可以制成电阻率比硅、
锗高3个数量级以上的半绝缘高阻材料,用来制作集成电路衬底、红外探测器、γ光子探测器等。由于其电子迁移率比硅大5～6倍，故在制作微波器件和高速数字电路方面得到重要应用。用砷化镓制成的半导体器件具有高频、高温、低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点。此外，还可以用于制作转移器件──体效应器件。砷化镓是半导体材料中,兼具多方面优点的材料,但用它制作的晶体三极管的放大倍数小，导热性差，不适宜制作大功率器件。虽然砷化镓具有优越的性能，但由于它在高温下分解，故要生长理想化学配比的高纯的单晶材料，技术上要求比较高?5?。
1.3光子晶体简介
1987年, Yablonovitch和John分别在讨论周期性电介质结构对材料中光传播行为的影响时各自独立地提出“光子晶体”这一新概念。Yablonovitch的目的是控制材料自发辐射特性,而John则着眼于光子在无序介质里的局域化效应。由于光子晶体的许多新的性质及其广阔的应用前景,在其以后的十几年里得到了广泛的研究。
我们知道在半导体材料中,由于周期势场的作用,电子会形成能带结构,带与带之间有能隙(如价带与导带),使电子的能谱具有带状结构。在光子晶体中,由于介电常数存在空间上的周期性,对在其中传播的光波的折射率同样有周期性分布,光波的色散曲线也会形成带状周期性结构,带与带之间可能出现类似于半导体禁带的“光子禁带”(photonic band gap)??。光子禁带是指在一定频率范围内的光子,6
在光子晶体内的某些方向是被严格禁止传播的。如果光子晶体只有一个方向具有周期性结构,它形成一维光子晶体,光子禁带只出现在该方向上,如果它在二维或三维均具有周期性结构,那么它将形成二维或三维光子晶体。特别是三维光子晶体,可能出现全方位的光子禁带,落在禁带中的光在任何方向均被禁止传播。具有光子禁带的周期性电介质结构,我们称之为光子晶体。虽然在自然界中也存在光子晶体的例子,比如蛋白质、蝴蝶翅膀等,但绝大多数光子晶体都是人工设计制造出来的。
光子晶体的最根本性质是具有光子禁带,落在禁带中的光是被禁止传播的。Yablonovitch指出: 光子晶体可以抑制自发辐射。因自发辐射的几率与光子所在
频率的态的数目成正比,当原子被放在一个光子晶体里面,而它的自发辐射光的频率正好落在光子禁带中时,由于该频率光子的态的数目为零,因此自发辐射几率为零,自发辐射被抑制。反之,光子晶体也可以增强自发辐射,只要增加该频率光子的态的数目便可以实现,如光子晶体中混有杂质时,光子禁带中会出现品质因子很高的杂质态,具有很大的态密度,这样就可以实现辐射增强。
光子禁带的出现依赖于以下几个因素:一是光子晶体的结构,二是介电常数的配比,三是光子晶体的几何构形。一般说来,如果光子晶体中2种介质的介电常数的差异足够大,在介质交界面就会发生布拉格散射而且介电常数比越大,入射光被散射的越强烈,出现光子禁带的可能就越大。
光子晶体的另一个重要性质是“光子局域”。John于1987年提出:在一种精心设计的无序介电材料组成的超晶体中,光子呈现很强的Anderson局域??。在光子7
晶体中,如果原有的周期性或对称性受到破坏,在其光子禁带中就有可能出现频率极窄的缺陷态,与缺陷态频率吻合的光子会被局域在出现缺陷位置,一但偏离缺陷位置光就将迅速衰减。另外,二维晶体对入射电场方向不同的TE,TM两种偏振模式的光具有不同的光子禁带。
1.4本课题研究的目的及意义
过去的50年中，人们通过对半导体的深入研究及其广泛应用，极大地推动了电子工业和信息产业的发展。然而，在电子线路已经发展到极限的今天，科学家们把注意力转向了光。这是因为光子有着电子所不具备的优势：速度快，彼此间不存在相互作用。我们虽然已经朝这个方向迈出了可喜的一步――光纤的使用，但是对于信息的输入和输出，光纤依靠的仍然是传统的电子器件，这大大限制了信息的传输效率光子晶体可能将扭转这一局面。光子晶体的诞生是由于人们希望能像控制电子一样来控制光子，类似于半导体周期性结构对电子的控制，使电子不能在禁带中存在，但可跨禁带跃迁。光子晶体做成的器件可以人为控制光子的流动，就像半导体中的电子一样。光子晶体的研究不仅仅是光通信领域内的问题，同时对其他相关产业也将产生巨大的影响，这就是光子晶体越来越引起人们广泛关注的原因??。 8
2砷化镓的理化性质及制备
2.1砷化镓的基本属性
半绝缘GaAs是一种性能优越的Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体材料。首先我们简单介绍一下半导体材料的性质：
(l)室温下电阻率在10-4?1010?.cm。
(2)电阻率对晶体中的杂质和缺陷的种类极为敏感。
(3)电流由电子和空穴的运动决定。
(4)晶体中电子和空穴的密度，可以通过各种方法进行控制。
(5)随着温度的变化，物理性质发生较大变化，即半导体是一种温度灵敏物质。
半导体具有以上诸性质，主要是由它的电子结构决定的。而在众多化合物半导体中，以 GaAs为代表的Ⅲ-V族化合物得到了广泛而大量的应用。GaAs的晶体结构是立方晶系的闪锌矿型，这种结构是由两个相互嵌套的面心立方子晶构成，其中第二个子晶格的一个原子位于第一个子晶格体对角线的四分之一处。每一个子晶格只包含一种类型的原子(或者是镓原子或者是砷原子)，其晶体结构如表2.1所示。
表2.1GaAs单晶结构性质列表（室温下）
与Si相比，GaAs晶体有很多优点:室温下Si的禁带宽度为1.17eV，Ge的禁带宽度为0.74eV，而GaAs的禁带宽度为1.424eV，比Si和Ge禁带宽度大，使GaAs器件的允许工作温度范围比Si器件更宽;GaAs的导带底在K=0处，价带顶也近似在K=0处，是直接带隙结构的半导体材料，而Si和Ge为间接带隙结构，这使GaAs比Si和Ge具有更好的光学特性;GaAs的本征载流子浓度很低，用它很容易制成电阻率高达108?.cm的半绝缘材料，这使得GaAs基集成电路中器件的电学隔离简单易行，而且对降低寄生电容、减少漏电、提高速度都十分有
利;GaAs是直接带隙材料，它的少子寿命很短，由辐射等所产生的电子一空穴对能迅速复合，可减少对电路性能的影响，具有良好的抗辐射特性，使GaAs基集成电路和器件在外层空间等恶劣环境下和军事上得以广泛应用;尤为重要的是，GaAs单晶中电子迁移率比Si单晶中大5倍，使GaAs器件在工作频率、开关速度、和低功耗等方面较Si有明显的优势?9?。
高纯度GaAs本身就是一种良好的半绝缘材料，但通常由于制备工艺的限制，高纯度的GaAs材料成本高，且不易制备。实际半绝缘GaAs材料的半绝缘特性都是通过电活性中心的补偿实现的。常见的补偿机制可分为三种，即:
1.深施主缺陷EL2补偿浅受主碳(C);
2.深受主C补偿浅施主Si;
3.深施主缺陷EL2补偿深受主Cr;
通过电活性中心补偿获得的半绝缘GaAs材料具有和高纯度GaAs材料类似的半绝缘特性，在GaAs基集成电路和器件中得到广泛应用。
图2.1 砷化镓的晶体结构
2.2砷化镓的电学性质
砷化镓属于一种重要的半导体材料。属Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体。化学式GaAs，
-10分子量 144.63，属闪锌矿型晶格结构，晶格常数5.65?10m，熔点1237℃，禁
带宽度1.4eV。砷化镓于1964年进入实用阶段。砷化镓可以制成电阻率比硅、锗高3个数量级以上的半绝缘高阻材料,用来制作集成电路衬底、红外探测器、γ光子探测器等。由于其电子迁移率比硅大5～6倍，故在制作微波器件和高速数字电路方面得到重要应用。用砷化镓制成的半导体器件具有高频、高温、低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点。此外，还可以用于制作转移器件――体效应器件。砷化镓是半导体材料中,兼具多方面优点的材料,但用它制作的晶体三极管的放大
三亿文库包含各类专业文献、外语学习资料、生活休闲娱乐、39砷化镓基二维光子晶体带隙结构的研究_图文等内容。　
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