光電集成的發(fā)展及前景

1、.PAGE ：.；PAGE 8 光電集成的開展及前景 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc281300782 摘要1 HYPERLINK l _Toc281300783 1 引言1 HYPERLINK l _Toc281300784 2 光電集成的分類 PAGEREF _Toc281300784 h 2 HYPERLINK l _Toc281300785 3 光電集成器件 PAGEREF _Toc281300785 h 2 HYPERLINK l _Toc281300786 3.1 OEIC光發(fā)射機器件 PAGEREF _Toc281300786 h 3 HYPER

2、LINK l _Toc281300787 3.2 OEIC光接納機器件 PAGEREF _Toc281300787 h 4 HYPERLINK l _Toc281300788 3.3 光中繼器件 PAGEREF _Toc281300788 h 5 HYPERLINK l _Toc281300789 4 GaAs OEIC和InP OEIC PAGEREF _Toc281300789 h 5 HYPERLINK l _Toc281300790 5 光電集成的優(yōu)點及技術(shù)問題7 HYPERLINK l _Toc281300791 6 光電集成的前景8 HYPERLINK l _Toc28130079

3、2 參考文獻 PAGEREF _Toc281300792 h 8光電集成的運用及前景摘要光電集成技術(shù)是繼微電子集成技術(shù)之后，近十幾年來迅速開展的高技術(shù)，已吸引了寬廣人們關(guān)注。本論文主要是引見光電集成電路的分類和光電集成的器件，簡要的分析了兩種資料的光電集成電路，并展望了未來廣電集成的運用前景。關(guān)鍵字：光電器件；光電集成；OEIC；AbstractPhotoelectric integration technology is the rapid development of high technology after the microelectronics integration techno

4、logy, nearly ten years.It has attracted peoples attention. This paper introduces the classification of optoelectronic integrated circuit,and has a briefly analysis of two kinds of material of photoelectric integrated circuits, and discusses the future of the application of photoelectric integration

5、technology1 引言 光電集成概念提出至今已有二十多年的歷史。把各種光子和電子元件集成在同一襯底上，除了要處理元件構(gòu)造和工藝技術(shù)的兼容性外，還要選擇滿足兩種元件性能要求的資料。為了使不同資料互補，按要求進展優(yōu)化組合，又開展出一種復合襯底資料，即利用異質(zhì)外延技術(shù)，在一種襯底資料上外延另一種襯底資料薄膜，如在硅片上異質(zhì)外延砷化鎵單晶薄膜，在襯底的硅面制造電子元件，在砷化鎵薄膜上制造光子元件。其優(yōu)點是可以把硅的大規(guī)模集成電路技術(shù)與砷化鎵的光子元件技術(shù)結(jié)合，改善導熱性能，降低本錢，提高集成度。除在硅面上異質(zhì)外延砷化鎵外，還可在砷化鎵晶片上異質(zhì)外延磷化銦單晶薄膜。利用復合襯底資料，已制出一批光、

6、電子元件，以及光電集成的光發(fā)射機和光接納機。隨著光通訊、光信息處置、光計算、光顯示等學科的開展， 人們對具有體積小、分量輕、任務(wù)穩(wěn)定可靠、低功耗、高速任務(wù)和高度平行性的光電子集成產(chǎn)生濃重的興趣，加之資料科學和先進制造技術(shù)的進展使它在單一構(gòu)造或單片襯底上集成光子器件和電子元件成為能夠, 并構(gòu)成具有單一功能或多功能的光電子集成電路OEIC。簡言之，光電集成電路是完成光信息與電信息轉(zhuǎn)換的一種集成電路。2 光電集成的分類光電電集成電路總體可分為兩類：一類是完成光信息到電信息轉(zhuǎn)換的電路，它由光電探測器、放大器及偏置電路組成。常見的接納器件有光電晶體管、硅光電池等。OEIC光接納機器件主要由探測器和電子放

7、大電路晶體管放大器構(gòu)成，將光信號經(jīng)探測器轉(zhuǎn)換成電信號并經(jīng)放大器放大處置后輸出。要獲得高靈敏度、高量子效率的OEIC光接納機,那么要提高探測器和晶體管放大器的性能。對探測器的需求是：高速度、高靈敏度、高呼應(yīng)度、低噪聲、小電容、易集成；對放大器的需求是：高跨導、高互阻、高電流增益截止頻率和最大振蕩頻率。 另一類是完成電信息到光信息轉(zhuǎn)換的電路，由光發(fā)射器件、驅(qū)動電路及偏置電路組成。常見的發(fā)射器件有發(fā)光管、激光管、液晶等。OEIC光發(fā)射機器件是由激光二極管LD、發(fā)光管LED及驅(qū)動電路構(gòu)成,普通有三種集成類型：光源和驅(qū)動電路的集成；光源和探測器的集成；光源和驅(qū)動電路及探測器的集成。OEIC光發(fā)射機器件研

8、討的重點是高速率LD和驅(qū)動電路的集成。3 光電集成器件OEIC器件是利用光電子技術(shù)和微電子技術(shù)將光子器件和電子元件單片集成在同一襯底上的單片光電子集成電路器件,主要由LD、發(fā)光二極管LED、光電二極管PD、調(diào)制器等光電子有源器件和光波導、耦合器、分裂器、光柵等無源器件，及各種場效應(yīng)晶體管FET、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管HBT、高電子遷移率晶體管HEMT驅(qū)動電路、放大器等電子元件構(gòu)成，其集成方式是上述光電器件的部分組合或全部組合，通常采用垂直構(gòu)造和二維程度構(gòu)造等根本構(gòu)造。垂直集成構(gòu)造是分別設(shè)計光和電子器件構(gòu)造，將不同的光電器件以垂直塊方式一層挨一層地放置，光電器件的外延層是逐次外延生長的，并用絕緣層進展

9、電隔離。這種疊層構(gòu)造的特點是一切層都能在襯底上用一步或反復生長方法依次生長，并可實現(xiàn)三維集勝利能。其益處是：電路簡單,消費和制造工藝簡單，經(jīng)過將器件層堆疊提高了實踐集成度。缺陷是：設(shè)計靈敏性差,不能實現(xiàn)高速任務(wù)，寄生電容大,不易獲得好的隔離和絕緣而使互連困難、平面性差所引起的非平面電互連困難、廢品率低及不適宜于大規(guī)模集成，所以較少采用。二維程度集成構(gòu)造是將光器件和電器件程度陳列于襯底上，采用一步生長的方法完成集成。該構(gòu)造的特點是利用了光器件和電器件一樣的晶體層一步生長完成集成。其益處是：寄生電容小,廢品率高。缺陷是加工復雜，由于光器件厚度比電器件厚得多，易構(gòu)成臺階，產(chǎn)生細小圖像較為困難。二維程

10、度構(gòu)造是OEIC器件最感興趣的構(gòu)造方式，他可將單元間的電容耦合降到最低，但由于工藝較為復雜，設(shè)計時往往要在分別器件性能方面進展折中處置。OEIC器件主要包括OEIC光發(fā)射機器件、OEIC光接納機器件和光中繼器件。3.1 OEIC光發(fā)射機器件OEIC光發(fā)射機器件是由激光二極管LD、發(fā)光管LED及驅(qū)動電路構(gòu)成，普通有三種集成類型：光源和驅(qū)動電路的集成；光源和探測器的集成；光源和驅(qū)動電路及探測器的集成。OEIC光發(fā)射機器件研討的重點是高速率LD和驅(qū)動電路的集成。光發(fā)射機器件對LD的需求是：低閾值、大功率、窄線寬、方式穩(wěn)定、高特征溫度，并且便于集成。適宜OEIC光發(fā)射機器件的激光器有以下兩種，隱埋異質(zhì)

11、結(jié)BH和法布里-珀羅FP腔條形激光器：其性能好，但閾值電流高可引起熱相關(guān)問題，并且解理或腐蝕的反射鏡面使制造工藝復雜化。分布反響DFB和分布布喇格反射器DBR激光器：有低閾值電流Ith和量子阱增益構(gòu)造，InP基LD Ith10mA1kA/cm2，GaAs基LD Ith1mA200A/cm2。量子阱QWLD不僅有極低的Ith，可望在10倍Ith下任務(wù)，更有高微分增益和高調(diào)制速率，是OEIC光發(fā)射器件的最正確光源。驅(qū)動電路的作用是控制經(jīng)過光源的電流和提供高速調(diào)制所需的電功率,有FET、HBT二種。FET輸入阻抗高、功耗低、構(gòu)造簡單，HBT有較高的增益特性和較快的呼應(yīng)速度。在GaAs短波長中多采用金

12、屬-合金-半導體MESFET。在InP長波長中，普通采用金屬-絕緣體-半導體MISFET和調(diào)制摻雜MODFET。20世紀90年代以來，具有高互阻、高跨導、低噪聲的HBT和HEMT逐漸替代各種FET成為主流，使OEIC發(fā)射器件性能得到極大提高。特別是HBT消除了高柵走漏電流，并且其垂直幾何外形和高速性能非常適宜高密度集成。自O(shè)EIC技術(shù)誕生以來，主要努力于光發(fā)射機器件和光接納機器件的研討，但OEIC光發(fā)射機比光接納機的進展緩慢。目前，GaAs基OEIC發(fā)射機已接近適用，InP基OEIC發(fā)射機正在研討中。4.92ftm波長的GaInAsP OEIC發(fā)射機3dB帶寬已達6.6GHz，采用HEMT的O

13、EIC光發(fā)射機調(diào)制速率達10Gb/s。3.2 OEIC光接納機器件OEIC光接納機器件主要由探測器和電子放大電路晶體管放大器構(gòu)成，將光信號經(jīng)探測器轉(zhuǎn)換成電信號并經(jīng)放大器放大處置后輸出。要獲得高靈敏度、高量子效率的OEIC光接納機,那么要提高探測器和晶體管放大器的性能。對探測器的需求是：高速度、高靈敏度、高呼應(yīng)度、低噪聲、小電容、易集成；對放大器的需求是：高跨導、高互阻、高電流增益截止頻率和最大振蕩頻率。探測器：有雪崩光電二極管APD和PIN光電二極管PD兩種。APD雖有倍增作用，但因頻響限制，運用較少。運用最多的是低電容、低暗電流的PIN PD，但他和FET集成較為困難。為順應(yīng)高速率、寬頻帶呼

14、應(yīng)的需求，PIN有所改良。目前已制出具有高速才干的金屬-半導體-金屬MSMPD，其電容更低、工藝簡單，但暗電流稍大10nA以上。更有一種多模波導構(gòu)造WGPD，不僅具有大帶寬和高量子效率，而且易于和其他波導器件耦合及和光器件集成，因此倍受注重。晶體管：用作放大器的晶體管有FET、HBT、HEMT等。大多采用FET，但由于他本身的缺陷使接納機性能不高，和PIN PD集成較困難。采用改良頻帶型MODFET雖添加了帶寬最高達18.5GHz和靈敏度最高達-19.5dBm、減少了寄生，但仍難以滿足大容量、高速化通訊的需求。HBT具有高速、高電流驅(qū)動才干，更有高跨導和非常均勻的閾值，并可進展較高密度封裝。O

15、EIC光接納機的開展趨勢是高數(shù)字速率和寬頻帶呼應(yīng)。目前，最新的OEIC光接納機主要由PIN PD和MSM PD和HBT和HEMT組成。GaAs基PIN/HEMT已獲得36.5 GHz帶寬,40 Gb/s速率,改良后可制成58 GHz帶寬的毫米波OEIC光接納機。 MSM PD/HEMT OEIC光接納機的最大帶寬達38 GHz。InGaAs/ InP PIN和 InGaAs/InAlAs/InP HEMT 集成的PIN PD/HEMT 光接納機的速率達4050Gb/s，頻帶寬達40GHz，可望達60GHz。假設(shè)在輸入端加半導體光放大器和可調(diào)諧濾波器，可獲得高靈敏度-18.5dBm、高增益0.7

16、V/W的OEIC光接納機。據(jù)預測，這種PIN PD/HEMT OEIC光接納機最正確化設(shè)計后速率可望到達100 Gb/s，截止頻率可望到達100GHz。多模WG PD使邊入射型OEIC光接納機也獲艱苦突破,將WG PD和分布補償型HEMT放大器集成,獲得了46.5 GHz和52 GHz帶寬。3.3 光中繼器件OEIC光中繼器是將光發(fā)射器件、光接納器件和放大電路器件集成在一同，兼有光發(fā)射、接納和放大功能。其特點是不用將光信號檢波后再放大，而是直接進展光放大。已獲得在GaAs襯底上制造的PIN PD/FET/BH LD單片集成光中繼器，其增益帶寬乘積為178MHz。OEIC光中繼器的研討重點是4.

17、27ftm的光-電-光PIN/FET-FET/LD單片集成。在Si-InP襯底上制造的PIN/FET/LD單片集成光中繼器中，光接納和光放大功能由InGaAs PIN PD/FET完成，電光轉(zhuǎn)換功能由FET/LD完成。目前正在研制多路OEIC光中繼器，已獲得28Gb/s速率和-15.5dBm靈敏度。開展目的是將LD、PD、光開關(guān)、光復用器/解復用器及幾種電子電路集成在一同，可實現(xiàn)OEIC 波分復用WDM光中繼功能。4 GaAs OEIC和InP OEIC最有代表性的砷化鎵( GaAs) OEIC是光纖(FO)光發(fā)射機OEIC，這類光發(fā)射機是在GaAs襯底上集成光有源器件(如激光二極管或發(fā)光二極

18、管) 和用做激光二極管的驅(qū)動電路。在GaAs襯底上集成一只AlGaAs 隱埋異質(zhì)結(jié)激光二極管(BHLD)和兩只金屬-半導體場效應(yīng)晶體管(MESFET)。兩只MESFET 的作用是控制經(jīng)過激光器的電流,其中一只提供維持激光器在閉值以上任務(wù)的偏流, 另一只提供激光器直接調(diào)制輸出的調(diào)制電流。兩個電流獨立受控于MESFET柵壓。這種OEIC 設(shè)計是非平面的, 這種構(gòu)造的OEIC 限制經(jīng)過光刻可得到的最小特征尺寸, 使電子線路的速度受限。因此這種OEIC 光發(fā)射機的頻響限制在幾個GHz 以下。要想獲得高速任務(wù)的OEIC 光發(fā)射, 應(yīng)采用平面型構(gòu)造,這時應(yīng)該將生長激光器位置的溝道經(jīng)過刻蝕工藝將其降至到襯底

19、里面,使最終生長的激光器層的最上層高度大體與MESFET 頂層高度一致。迄今為止, 實現(xiàn)高速任務(wù)的GsAs OEIC 的工藝已成熟, 并能滿足CD-ROM 和第一代FO 發(fā)射機的要求。InP光電集成電路是具有1.3微米 和1.55微米波長范圍輸出和接納的激光二極管和光電二極管通常是由在InP 襯底上生長的窄帶隙四元化合物GaAsP和三元化合物InGaAs所構(gòu)成。遺憾的是, 由這些資料構(gòu)成的MESFET 因較低的肖特基勢壘, 呵斥高的柵走漏電流。因此, InGaAsP/InP 的OEIC 不宜運用MESFET。異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT) 是InP OEIC 最理想的電子元件。HBT與MESFET

20、不同,它具有由一個疊層陳列的發(fā)射極、基極和集電極組成的垂直兒何外形構(gòu)造。鑒于InP OEIC 光發(fā)射機構(gòu)形和HBT 構(gòu)造的各層銜接方式, 由于跨接基極/ 發(fā)射極異質(zhì)結(jié)產(chǎn)生一正向偏壓, 而集電極/ 發(fā)射極異質(zhì)結(jié)經(jīng)受一反向偏壓。因此, 當一小電流流經(jīng)發(fā)射極/ 基極電路時, 便在經(jīng)基極的發(fā)射極/ 集電極電路中產(chǎn)生一相當大的電流。由于激光器與OEIC 中的HBT 的集電極相銜接, 因此經(jīng)過調(diào)理HBT 的發(fā)射極/基極電路的電流便可調(diào)理經(jīng)過激光器的電流。松下的光發(fā)射器芯片由一個驅(qū)動電路和在InP層及InGaAsP層上的激光器組成，見以下圖。5 光電集成的優(yōu)點及技術(shù)問題光電集成的優(yōu)點：1，光電集成電路具有較高的數(shù)字轉(zhuǎn)換速率。高速性2，抗干擾才干強?？箶_性3，單個集成電路可以具有多種功能。例如，用于多路通訊的幾個不同波長的光發(fā)射和接納器件，有相關(guān)的信號處置功能。平行性4，光電集