光电集成的发展及前景.doc

光电集成的发展及前景 摘要11 引言12 光电集成的分类23 光电集成器件23.1 OEIC光发射机器件33.2 OEIC光接收机器件43.3 光中继器件54 GaAs OEIC和InP OEIC55 光电集成的优点及技术问题76 光电集成的前景8参考文献8光电集成的应用及前景摘要光电集成技术是继微电子集成技术之后，近十几年来迅速发展的高技术，已吸引了广大人们关注。本论文主要是介绍光电集成电路的分类和光电集成的器件，简要的分析了两种材料的光电集成电路，并展望了未来广电集成的应用前景。关键字：光电器件；光电集成；OEIC；AbstractPhotoelectric integration technology is the rapid development of high technology after the microelectronics integration technology, 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 technology1 引言 光电集成概念提出至今已有二十多年的历史。把各种光子和电子元件集成在同一衬底上，除了要解决元件结构和工艺技术的兼容性外，还要选择满足两种元件性能要求的材料。为了使不同材料互补，按要求进行优化组合，又发展出一种复合衬底材料，即利用异质外延技术，在一种衬底材料上外延另一种衬底材料薄膜，如在硅片上异质外延砷化镓单晶薄膜，在衬底的硅面制作电子元件，在砷化镓薄膜上制作光子元件。其优点是可以把硅的大规模集成电路技术与砷化镓的光子元件技术结合，改善导热性能，降低成本，提高集成度。除在硅面上异质外延砷化镓外，还可在砷化镓晶片上异质外延磷化铟单晶薄膜。利用复合衬底材料，已制出一批光、电子元件，以及光电集成的光发射机和光接收机。随着光通信、光信息处理、光计算、光显示等学科的发展， 人们对具有体积小、重量轻、工作稳定可靠、低功耗、高速工作和高度平行性的光电子集成产生浓厚的兴趣，加之材料科学和先进制造技术的进展使它在单一结构或单片衬底上集成光子器件和电子元件成为可能, 并构成具有单一功能或多功能的光电子集成电路（OEIC）。简言之，光电集成电路是完成光信息与电信息转换的一种集成电路。2 光电集成的分类光电电集成电路总体可分为两类：一类是完成光信息到电信息转换的电路，它由光电探测器、放大器及偏置电路组成。常见的接收器件有光电晶体管、硅光电池等。OEIC光接收机器件主要由探测器和电子放大电路（晶体管放大器）构成，将光信号经探测器转换成电信号并经放大器放大处理后输出。要获得高灵敏度、高量子效率的OEIC光接收机,则要提高探测器和晶体管放大器的性能。对探测器的需求是：高速度、高灵敏度、高响应度、低噪声、小电容、易集成；对放大器的需求是：高跨导、高互阻、高电流增益截止频率和最大振荡频率。 另一类是完成电信息到光信息转换的电路，由光发射器件、驱动电路及偏置电路组成。常见的发射器件有发光管、激光管、液晶等。OEIC光发射机器件是由激光二极管（LD）、发光管（LED）及驱动电路构成,一般有三种集成类型：光源和驱动电路的集成；光源和探测器的集成；光源和驱动电路及探测器的集成。OEIC光发射机器件研究的重点是高速率LD和驱动电路的集成。3 光电集成器件OEIC器件是利用光电子技术和微电子技术将光子器件和电子元件单片集成在同一衬底上的单片光电子集成电路器件,主要由LD、发光二极管（LED）、光电二极管（PD）、调制器等光电子有源器件和光波导、耦合器、分裂器、光栅等无源器件，及各种场效应晶体管（FET）、异质结双极晶体管（HBT）、高电子迁移率晶体管（HEMT）驱动电路、放大器等电子元件构成，其集成方式是上述光电器件的部分组合或全部组合，通常采用垂直结构和二维水平结构等基本结构。垂直集成结构是分别设计光和电子器件结构，将不同的光电器件以垂直块形式一层挨一层地放置，光电器件的外延层是逐次外延生长的，并用绝缘层进行电隔离。这种叠层结构的特点是所有层都能在衬底上用一步或重复生长方法依次生长，并可实现三维集成功能。其好处是：电路简单,生产和制作工艺简单，通过将器件层堆叠提高了实际集成度。缺点是：设计灵活性差,不能实现高速工作，寄生电容大,不易获得好的隔离和绝缘而使互连困难、平面性差所引起的非平面电互连困难、成品率低及不适合于大规模集成，所以较少采用。二维水平集成结构是将光器件和电器件水平排列于衬底上，采用一步生长的方法完成集成。该结构的特点是利用了光器件和电器件相同的晶体层一步生长完成集成。其好处是：寄生电容小,成品率高。缺点是加工复杂，由于光器件厚度比电器件厚得多，易形成台阶，产生细小图像较为困难。二维水平结构是OEIC器件最感兴趣的结构形式，他可将单元间的电容耦合降到最低，但由于工艺较为复杂，设计时往往要在分离器件性能方面进行折中处理。OEIC器件主要包括OEIC光发射机器件、OEIC光接收机器件和光中继器件。3.1 OEIC光发射机器件OEIC光发射机器件是由激光二极管（LD）、发光管（LED）及驱动电路构成，一般有三种集成类型：光源和驱动电路的集成；光源和探测器的集成；光源和驱动电路及探测器的集成。OEIC光发射机器件研究的重点是高速率LD和驱动电路的集成。光发射机器件对LD的需求是：低阈值、大功率、窄线宽、模式稳定、高特征温度，并且便于集成。适合OEIC光发射机器件的激光器有以下两种，隐埋异质结（BH）和法布里-珀罗（FP）腔条形激光器：其性能好，但阈值电流高可引起热相关问题，并且解理或腐蚀的反射镜面使制作工艺复杂化。分布反馈（DFB）和分布布喇格反射器（DBR）激光器：有低阈值电流（Ith）和量子阱增益结构，InP基LD Ith10mA（1kA/cm2），GaAs基LD Ith1mA（200A/cm2）。量子阱（QW）LD不仅有极低的Ith，可望在10倍Ith下工作，更有高微分增益和高调制速率，是OEIC光发射器件的最佳光源。驱动电路的作用是控制通过光源的电流和提供高速调制所需的电功率,有FET、HBT二种。FET输入阻抗高、功耗低、结构简单，HBT有较高的增益特性和较快的响应速度。在GaAs短波长中多采用金属-合金-半导体（MES）FET。在InP长波长中，一般采用金属-绝缘体-半导体（MIS）FET和调制掺杂（MOD）FET。20世纪90年代以来，具有高互阻、高跨导、低噪声的HBT和HEMT逐步代替各种FET成为主流，使OEIC发射器件性能得到极大提高。特别是HBT消除了高栅泄漏电流，并且其垂直几何形状和高速性能非常适合高密度集成。自OEIC技术诞生以来，主要致力于光发射机器件和光接收机器件的研究，但OEIC光发射机比光接收机的进展缓慢。目前，GaAs基OEIC发射机已接近实用，InP基OEIC发射机正在研究中。4.92ftm波长的GaInAsP OEIC发射机3dB带宽已达6.6GHz，采用HEMT的OEIC光发射机调制速率达10Gb/s。3.2 OEIC光接收机器件OEIC光接收机器件主要由探测器和电子放大电路（晶体管放大器）构成，将光信号经探测器转换成电信号并经放大器放大处理后输出。要获得高灵敏度、高量子效率的OEIC光接收机,则要提高探测器和晶体管放大器的性能。对探测器的需求是：高速度、高灵敏度、高响应度、低噪声、小电容、易集成；对放大器的需求是：高跨导、高互阻、高电流增益截止频率和最大振荡频率。探测器：有雪崩光电二极管（APD）和PIN光电二极管（PD）两种。APD虽有倍增作用，但因频响限制，使用较少。使用最多的是低电容、低暗电流的PIN PD，但他和FET集成较为困难。为适应高速率、宽频带响应的需求，PIN有所改进。目前已制出具有高速能力的金属-半导体-金属（MSM）PD，其电容更低、工艺简单，但暗电流稍大（10nA以上）。更有一种多模波导结构（WG）PD，不仅具有大带宽和高量子效率，而且易于和其他波导器件耦合及和光器件集成，因而倍受重视。晶体管：用作放大器的晶体管有FET、HBT、HEMT等。大多采用FET，但由于他本身的缺陷使接收机性能不高，和PIN PD集成较困难。采用改进频带型MODFET虽增加了带宽（最高达18.5GHz）和灵敏度（最高达-19.5dBm）、减少了寄生，但仍难以满足大容量、高速化通信的需要。HBT具有高速、高电流驱动能力，更有高跨导和十分均匀的阈值，并可进行较高密度封装。OEIC光接收机的发展趋势是高数字速率和宽频带响应。目前，最新的OEIC光接收机主要由PIN PD和MSM PD和HBT和HEMT组成。GaAs基PIN/HEMT已获得36.5 GHz带宽,40 Gb/s速率,改进后可制成58 GHz带宽的毫米波OEIC光接收机。 MSM PD/HEMT OEIC光接收机的最大带宽达38 GHz。InGaAs/ InP PIN和 InGaAs/InAlAs/InP HEMT 集成的PIN PD/HEMT 光接收机的速率达4050Gb/s，频带宽达40GHz，可望达60GHz。若在输入端加半导体光放大器和可调谐滤波器，可获得高灵敏度（-18.5dBm）、高增益（0.7V/W）的OEIC光接收机。据预测，这种PIN PD/HEMT OEIC光接收机最佳化设计后速率可望达到100 Gb/s，截止频率可望达到100GHz。多模WG PD使边入射型OEIC光接收机也获重大突破,将WG PD和分布补偿型HEMT放大器集成,获得了46.5 GHz和52 GHz带宽。3.3 光中继器件OEIC光中继器是将光发射器件、光接收器件和放大电路器件集成在一起，兼有光发射、接收和放大功能。其特点是不必将光信号检波后再放大，而是直接进行光放大。已获得在GaAs衬底上制作的PIN PD/FET/BH LD单片集成光中继器，其增益带宽乘积为178MHz。OEIC光中继器的研究重点是4.27ftm的光-电-光PIN/FET-FET/LD单片集成。在Si-InP衬底上制作的PIN/FET/LD单片集成光中继器中，光接收和光放大功能由InGaAs PIN PD/FET完成，电光转换功能由FET/LD完成。目前正在研制多路OEIC光中继器，已获得28Gb/s速率和-15.5dBm灵敏度。发展目标是将LD、PD、光开关、光复用器/解复用器及几种电子电路集成在一起，可实现OEIC 波分复用（WDM）光中继功能。4 GaAs OEIC和InP OEIC最有代表性的砷化镓( GaAs) OEIC是光纤(FO)光发射机OEIC，这类光发射机是在GaAs衬底上集成光有源器件(如激光二极管或发光二极管) 和用做激光二极管的驱动电路。在GaAs衬底上集成一只AlGaAs 隐埋异质结激光二极管(BHLD)和两只金属-半导体场效应晶体管(MESFET)。两只MESFET 的作用是控制通过激光器的电流,其中一只提供维持激光器在闭值以上工作的偏流, 另一只提供激光器直接调制输出的调制电流。两个电流独立受控于MESFET栅压。这种OEIC 设计是非平面的, 这种结构的OEIC 限制通过光刻可得到的最小特征尺寸, 使电子线路的速度受限。因此这种OEIC 光发射机的频响限制在几个GHz 以下。要想获得高速工作的OEIC 光发射, 应采用平面型结构,这时应该将生长激光器位置的沟道通过刻蚀工艺将其降至到衬底里面,使最终生长的激光器层的最上层高度大体与MESFET 顶层高度一致。迄今为止, 实现高速工作的GsAs OEIC 的工艺已成熟, 并能满足CD-ROM 和第一代FO 发射机的要求。InP光电集成电路是具有1.3微米 和1.55微米波长范围输出和接收的激光二极管和光电二极管通常是由在InP 衬底上生长的窄带隙四元化合物GaAsP和三元化合物InGaAs所构成。遗憾的是, 由这些材料构成的MESFET 因较低的肖特基势垒, 造成高的栅泄漏电流。因此, InGaAsP/InP 的OEIC 不宜使用MESFET。异质结双极晶体管(HBT) 是InP OEIC 最理想的电子元件。HBT与MESFET不同,它具有由一个叠层排列的发射极、基极和集电极组成的垂直儿何形状结构。鉴于InP OEIC 光发射机构形和HBT 结构的各层连接方式, 由于跨接基极/ 发射极异质结产生一正向偏压, 而集电极/ 发射极异质结经受一反向偏压。因此, 当一小电流流经发射极/ 基极电路时, 便在经基极的发射极/ 集电极电路中产生一相当大的电流。由于激光器与OEIC 中的HBT 的集电极相连接, 因此通过调节HBT 的发射极/基极电路的电流便可调节通过激光器的电流。松下的光发射器芯片由一个驱动电路和在InP层及InGaAsP层上的激光器组成，见下图。5 光电集成的优点及技术问题光电集成的优点：1，光电集成电路具有较高的数字转换速率。（高速性）2，抗干扰能力强。（抗扰性）3，单个集成电路可以具有多种功能。例如，用于多路通信的几个不同波长的光发射和接收器件，有相关的信号处理功能。（平行性）4，光电集成电路芯片较小。5，光电集成电路比分立电路更可靠，性价比较高。光电集成仍需要解决的技术问