（电磁场与微波技术专业论文）通信光电子集成器件前沿技术研究.pdf

北京| | | 1 ；u 人学博l j 学位论文蜘要 通信光电子集成器件前沿技术研究 摘要 新一代光纤通信系统的发展必然要以新型通信光电子集成器件作为支撑。而通信 光电子集成器件研究所面临的最突出问题是半导体材料兼容、结构兼容和工艺兼容， 其中如何实现半导体材料异质兼容最为重要。通信光电子集成器件研究所面临的另一 类重要润题是在常规通信光电子器件中引入特殊功能微结构，进而实现器件性能优化 和功能拓展。上述两大问题都是以任晓敏教授为首席科学家的国家重点基础研究发展 计划( 9 7 3 计划) 项目“新一代通信光电子集成器件及光纤重要结构工艺创新与基础 研究”的主要研究内容。 目前，随着波分复用技术和全光网的发展，研制既具有波长选择能力、窄光谱响 应线宽、高速响应和高灵敏度，又能够实现探测波长大范围调谐的薪型长波长集成解 复用接收器件已成为当今光电子集成器件领域的一个新热点。 本论文围绕着光电子集成中的大失配异质兼容( 异材料系兼容) 问题、集成光电 子器件中特殊功能微结构及关键制备工艺、基于特殊功能微结构的新型w d m 集成解 复用接收器件的研制等开展了大量研究工作，并已取得以下主要研究成果： 1 、初步形成了新型材料系预测的理论框架，理论上预测了b i n a i a s g a a s 、 b i n g a a s g a a s 、b g a a s s b g a a s 和b g a p s b s i 四种材料系。依据维加德定理和量 子力学中的密度泛函理论计算出含硼砷化合物和含硼锑化合物四元系材料与 g a a s 、s i 晶格匹配的条件及其带隙性质，同时计算出上述四元系材料所含三元系 材料的能带弯曲参数，进而推导出b n g a a s 、b i n a l a s 、b g a a s s b 和b g a p s b 四 元系材料的发光波长与硼元素并入比例的关系。研究结果表明：与g a a s 衬底晶 格匹配的b i n _ a l a s 、b i n g a a s 和b g a a s s b 及与s i 衬底品格匹配的b g a p s b 的发 光波长有可能覆盖光纤通信1 5 5 9 m 波段。 2 、利用低压金属有机物化学气相沉积( l p m o c v d ) 技术，丌展了基于低温非晶缓 冲层的l n p g a a s 直接异质外延生长。通过初步优化生长条件，在g a a s 衬底上异 质外延出高质量的 m p l n g a a s 结构。测试结果表明：h l g a a s 室温p l 谱的峰值波 长位于1 6 2 1 n r n ，半两宽f w h m 达到5 5 m e v ( 相应波长半高宽为1 1 4 3 m n ) ： d c x r d 的外延峰半高宽f w h m 为7 1 2 a r c s e c ( 0 1 9 8 。) 。 3 、深入研究了基于硫脲溶液表面改性处理的、简单且无毒性的h a p g a a s 低温晶片 键合工艺，成功地实现了在较低热退火温度( 3 6 0 。c ) ri n p g a a s 之问的品片直 接健合，退火温度鼬著低引郅环同类研究t 作( 5 0 0 。c 6 0 0 。cj 采朋陔一i j 艺，i i q 北京邮l 匕人学1 i j ；【卜学位论史摘要 时实现了h a a s p i n g a a s p 多量子阱结构与g a a s a 1 g a a sd b r 结构的高质量键合。 4 、利用选择性湿法刻蚀技术攻克了i n p 一空气隙d b r 微结构的制作工艺，可解决高 反射率i n p i n g a a s p 分布式布拉格反射镜( d b r ) 难以高质量外延生长的难题， 仅用1 5 对i n p 一空气隙结构就使d b r 在1 5 5 u m 波长处的反射率达到9 5 以上。 在此基础上，我们首次提出并成功研制出基于该功能微结构的长波长r c e 光探 测器。该探测器在1 ，5 i 0 _ u n 波长处获得了约5 9 的峰值量子效率，3 d b 带宽达到 8 g h z ，3 v 反偏压下暗电流仅为2 n a ，台面面积为5 m 5 0 p m 。 5 、首次研制成功了基于i n p 空气隙d b r 微结构和特殊图案透明欧姆接触微结构 的高效入光耦合型高速r c e 光探测器。该器件的响应速率得到了显著的提高 在台面面积为5 0 l x m x 5 0 i _ t m 的情况下，获得了1 8 g h z 的响应带宽( 最初响应带宽 为8 g h z ) 。 6 、基于g a a s 基楔型结构的制备工艺，我们将i v 族材料可控自推移动态掩膜湿法 刻蚀技术推广到i n p 基材料系。首次采用新型的h c y h f c r 0 3 腐蚀溶液，通过改 变溶液的组分、溶液对两种材料的腐蚀选择比和刻蚀机理，在与i n p 晶格匹配的 i n o7 2 g a o2 8 a s o6 p o4 外延层上任意区域内形成了特定倾角、表面平坦的楔形结构。 该楔形结构的倾角可变范围为1 3 5 0 到3 5 9 。，表面粗糙度小于1 6 r i m 。这为研制 新型i n p 基集成光电子器件提供了新的结构自由度和工艺手段，特别为研制i n p 基一镜斜置三镜腔型( o m i t m i c ) 光探测器奠定了基础。 关键词：光电子集成( o e i c )材料系预测异质外延低温晶片键合 功能微结构谐振腔增强型( r c e ) 光电探测器 北京| | l l j i 也人学博卜学缸论义 摘要 r e s e a r c h o nt h el e a d i n g e d g et e c h n o l o g i e so f i n t e g r a t e do p t o e l e c t r o n i cd e v i c e sf o ro p t i c a l c o m m u n i c a t l 0 n s a b s t r a c t n o v e li n t e g r a t e do p t o e l e c t r o n i cd e v i c e sa r ep r e r e q u i s i t et ot h ee v o l u t i o no ft h eo p t i c a l c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s 。a n dt h em a j o ro u t s t a n d i n gi s s u e s ，w h i c hh a v e b e e ne n c o u n t e r e d w i t hd u r i n gt h ei n v e s t i g a t i o no fi n t e g r a t e do p t o e l e c t r o n i cd e v i c e s ，a r ec o m p a t i b i l i t yo f s e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l s ，t h a to fs t r u c t u r e sa n dt h a to fp r o c e s s e s a n dh o wt or e a l i z et h e s u c c e s s f u lc o m p a t i b i l i t yo fh e t e r o g e n e o u ss e m i c o n d u c t o r si n t e g r a t i o n i st h em o s t i m p o r t a n ts c i e n t i f i ci s s u e a n o t h e ri m p o r t a n tk i n do fi s s u e si sh o wt oi n t r o d u c et h es p e c i a l f u n c t i o n a lm i c r o s t r u c t u r e si no r d e rt oo p t i m i z et h ep e r f o r m a n c ea n dt h ef u n c t i o no fg e n e r a l o p t o e l e c t r o n i cd e v i c e s t h o s et w ok i n d so fi s s u e sa r et h ek e yr e s e a r c ht o p i c so f b a s i c r e s e a r c ho ni n t e g r a t e do p t o e l e e t r o n i cd e v i c e sa n dm i c r o s t r u c t u r eo p t i c a lf i b e rw i t h s t r u c t u r ea n dt e c h n o l o g yi n n o v a t i o n sy o rf u t u r ea d v a n c e do p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s ” p r o g r a m ( n a t i o n a lb a s i cr e s e a r c hp r o g r a mo fc h i n a ) ， f u r t h e r m o r e ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw d mt e c h n o l o g i e sa n da l l o p t i c a l n e t w o r k ，an e wa n dh o tr e s e a r c hf i e l do fi n t e g r a t e d o p t o e l e c t r o n i cd e v i c e sh a sa p p e a r e d t h a ti st h ef a b r i c a t i o no fn o v e ll o n g - w a v e l e n g t hi n t e g r a t e dd e m u l t i p l e x i n gd e v i c e sh a v i n g t h ec a p a b i l i t yo ft h es e l e c t i v ed e t e c t i o n ，n a r r o wl i n e w i d t h ，h i g hr e s p o n s es p e e d ，h i 曲 s e n s i t i v i t ya n dw i d et u n i n gr a n g eo f t h ew a v e l e n g t hd e t e c t e d i nt h i sd o c t o r a lt h e s i s ，ag r e a td e a lo fr e s e a r c hw o r kh a sb e e nd o n e t h a ti sm a i n l y f o c u s e do nt h ec o m p a t i b i l i t yi s s u e so fl a r g em i s m a t c h e di n t e g r a t i o n so fh e t e r o g e n e o u s m a t e r i a l s ，o ns p e c i a lf u n c t i o n a lm i c r o s t r u c t u r e sa n dr e l e v a n tf a b r i c a t i o np r o c e s s e sa d o p t e d b yi n t e g a t e do p t o e t e c t r o n i cd e v i c e s ，a n do nt h ed e s i g na n df a b r i c a t i o no fb r a n d - n e w w d mi n t e g r a t e dd e m u l t i p l e x i n gp h o t o d e t e c t o r sw h i c ha r eb a s e do i ls p e c i a lf u n c t i o n a l m i c r o s t r u c t u r e s r e s e a r c hr e s u l t s ，a sl i s t e db e l o w , h a v eb e e na c h i e v e d 1 ar u d i m e n t a r yf r a m e w o r kf o r t h ep r e d i c t i o nt h e o r yo fb r a n d n e wm a t e r i a ls y s t e m sh a s b e e ne s t a b l i s h e d ，a n df o u rm a t e r i a ls y s t e m s ，b i n a i a s g a a s ，b i n g a a s g a a s ， b g a a s s b g a a sa n db g a p s b s i ，h a v eb e e nt h e o r e t i c a l i yp r e d i c t e d a c c o r d i n gt ot h e v e g a r d sl a wm a dd e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y ( d f t ) o fq u a n t u mm e c h a n i c s ，t h el a t t i c e m a t c hc o n d i t i o n so fb o r o n c o n t a i n e da r s e n i d ea n da n t i m o n i d eq u a t e r n a r ym a t e r i a l s h a v eb e e nd e d u c e d ，t h eb a n d g a pp r o p e r t i e so fs u c hq n a t e m a r ym a t e r i a l sh a v eb e e n t h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d ，a n dt h eb a n d g a pb o w i n gp f l r a m e t e r so fa l lt e l - t a l yc o m p o u n d s 北京| | f f j i u 人学博士学旺论文摘要 i n c l u d e dh a v e b e e nt h e o r e t i c a l l yc a l c u l a t e d t h u s ，t h ed e p e n d e n tr e l a t i o n s h i p sb e t w e e n b o r o nc o n c e n t r a t i o na n dt h ee m i s s i o nw a v e l e n g t ho fb g a l n a s ，b g a a i a s ，b g a a s s b a n db g a p s bq u a t e r n a r ym a t e r i a l sh a v e b e e nd e t e m a i n e d c o m p u t a t i o n a lr e s u l t s d e m o n s t r a t et h a tt h e r ei sat r e m e n d o u sp o s s i b i l i t yt h a tt h ee m i s s i o nw a v e l e n g t ho fs u c h f o u r q u a t e m a r ym a t e r i a l sm a y c o v e rt h e 1 5 5 9 m w a v eb a n do ft h e o p t i c a l c o m m n n i c a t i o n s 2 i n p g a a sh e t e r o e p i t a x yb a s e do nl o wt e m p e r a t u r em e t a m o r p h i ci n pb u f f e rh a sb e e n c a r r i e do u tw i l hl o wp r e s s u r em e t a lo r g a n i cc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ( l p m o c v d ) b yo p t i m i z i n gt h ee p i t a x yp a r a m e t e r s ，h i 曲q u a i i t yi n p i u g a a ss t r u c t u r e sh a v eb e e n d i r e c t l yg r o w no ng a a ss u b s t r a t e s c h a r a c t e r i z a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tp e a kw a v e l e n g t h o fi n g a a sp h o t o l u m i n e s c e n c e ( p l ) e m i s s i o ns p e c t r u ma tr o o mt e n a p e r a t u r ei sl o c a t e d i n1 6 2 1 n m ，a n dt h ef u l lw i d t ha th a l fm a x i m u m ( f w h m ) v a l u ei s5 5 m e v ( 1 1 4 3 u r n ) ， f w h i v iv a l u eo fd o u b l ec r y s t a lx - r a yd i f f r a c t i o n ( d c x r d ) ( 0 0 4 ) r o c k i n gc u r v eo f e p i l a y e ri s7 1 2 a r c s e c ( 0 ，1 9 8 。) ， 3 l o wt e m p e r a t u r ei n p g a a sw a f e rb o n d i n gp r o c e s sw h i c hi ss i m p l e ，n o n t o x i ca n db a s e d o ns u r f a c em o d i f i c a t i o nt r e a t m e n tu s i n gt h i o u r e as o l u t i o n sh a sb e e ni n v e s t i g a t e d i n t e n s i v e l y a n di n p g a a sd i r e c tw a f e rb o n d i n ga tl o wt h e r m a la n f l e a l i n gt e m p e i a t u r e h a sb e e nr e a l i z e ds u c c e s s f u l l y t h et h e r m a la n n e a l i n gt e m p e r a t u r e ( 3 6 0 。c ) i sm u c h l o w e rt h a nt h a t ( 5 0 0 6 0 0 0 0a c c e p t e db yo t h e rr e s e a r c hg r o u p s b a s e do nt h es a l n e f a b r i c a t i o np r o c e s s e s ，h i g hq u a l i t yw a f e rb o n d i n gb e t w e e ni n p i n g a a s pm q w s t r u c t u r ea n dg a a s a i g a a sd b rs t r u c t u r eh a sa l s ob e e nr e a l i z e d 4 f a b r i c a t i o np r o c e s s e so fi n p a i rg a pd i s t r i b u t e db r a g gr e f e c t o r s ( d b r s ) h a v eb e e n b r o k e nt h r o u g hb ys e l e c t i v ec h e m i c a lw e te t c h i n gt e c h n i q u e s s ot h ep r o b l e ma st ot h e h a r dg r o w t ho f h i g hq u a l i t ya n dh i g hr e f l e c t i v i t yi n p i n g a a s pd b rc a nb es o l v e d ，t h e r e f l e c t i v i t yo fs u c hd b rs t r u c t u r ew i t h1 5p a i r si n p a i rg a pw i l le x c e e d9 5 a t 1 5 5 9 mw a v e l e n 【g t h b a s e do nt h o s er e s e a r c ha c h i e v e m e n t s ，l o n gw a v e l e n g t h i n p b a s e dr e s o n a n tc a v i t y - e n h a n c e d ( r c e ) p h o t o d e t e c t o r sw i t hq u a n t u me f f i c i e n c yo f 5 9 a t1 510 i i t mw a v e l e n g t h ，3 d bb a n d w i d t ho f8 g h z ，d a r kc u r r e n to f2 h aa t3 v r e v e r s eb i a s ，a n dm e s aa r e ao f5 0 m x 5 0 a mh a v eb e e ni n t r o d u c e da n ds u c c e s s f u l l y d e m o n s t r a t e df o r t h ef i r s tt i m e 5 n o v e lr c ep h o t o d e t e c t o r sw i t hh i g hc o u p l i n ge f f i c i e n c ya n dh i g hs p e e d ，w h i c ha r e b a s e do ni n p a i rg a pd b rm i c r o s t r u c m r ea n do nt h et r a n s p a r e n ta n ds p e c i a l l y p a t t e r n e do h mc o n t a c tn f i c r o s t r u c t u r e ，h a v eb e e ns u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e df o rt h ef i r s t t i m e r e s p o n s es p e e do ft h ed e v i c e si sr e m a r k a b l yi n c r e a s e d ，w i t hm e s aa r e ao f 5 0 9 i n x 5 0 9 m ，3 d bb a n d w i d t ho f 18 g h zh a sb e e n d e m o n s t r a t e d ( o r i g i n a l3 d b b a n d w i d t hi s8 g h z ) ! ! 塞l 坠! 查! ：苎：! ! 堂垡笙兰 塑望 6 d y n a m i ce t c hm a s kt e c h n i q u eo fi i i vc o m p o u n ds e m i c o n d u c t o r sh a sb e e ni n t r o d u c e d t oh a p b a s e dm a t e r i a ls y s t e m ，m a do r i g i n a lh c l h f c r 0 3e t c h i n gs o l u t i o n sh a v ea l s o b e e na d o p t e d b ya d j u s t i n gt h ec o m p o s i t i o no fe t c h i n gs o l u t i o n s ，e t c h i n gs e l e c t i v i t y a n de t c h i n gm e c h a n i s m s ，t a p e rs t r u c t u r e sw i t hf l a ts u r f a c ea n d s p e c i f i ci n c l i n e da n g l e h a v eb e e nf a b r i c a t e do na 1 1 ya r e ao fi n o7 2 g a 0 2 8 a s 06 p o4e p i l a y e rl a t t i c em a t c h e dt o1 1 1 p s u b s t r a t e 。t h ei n c l i n e da n g l eo f t a p e rs t r u c t u r e sf a b r i c a t e dr a n g e sf r o m1 3 5 0t o3 5 9 。 a n dr m s ( r o o tm e a ns q u a r e ) r o u a 蛩l l l e s so ft h et a p e rs u r f a c ei sl e s st h a n1 6 n m t h i s i n n o v a t i o nw i l lp r o v i d ean e wd e g r e eo ff r e e d o ma n dp r o c e s sa p p r o a c hf o r t h e f a b r i c a t i o no fi n p b a s e di n t e g r a t e do p t o e l e c t r o n i cd e v i c e s ，a n dl a yaf o u n d a t i o nf o rt h e f a b r i c a t i o no fi n p _ _ b a s e do n e m i r r o r i n c l i n e dt h r e e - m i r r o r c a v i t y ( o m i t m i c ) p h o t o d e r e c t o r k e yw o r d s ：o e i cm a t e r i a ls y s t e mp r e d i c t i o n h e t e r o e p i t a x y l o wt e m p e r a t u r ew a f e rb o n d i n g f u n c t i o n a lm i c r o s t r u c t u r e r e s o n a n tc a v i t ye n h a n c e d ( r c e ) p h o t o d e t e c t o r ：i l 京邮【u 人学博i 学位论文 声”u 声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 皇猛嗍竺! 堕竺皇 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 本人签名 导师签名 芝汗 j 鞭 日期竺堕垒兰虫竺旦 隰丛午书邮 北京| | | 1 乜人学博l 。学位沧文第一章 第一章绪 论 本论文研究工作是围绕任晓敏教授为首席科学家的国家重点基础研究发展计划 ( 9 7 3 计划) 项目“新一代通信光电子集成器件及光纤的重要结构工艺创新与基础研 究”( 项目编号：2 0 0 3 c b 3 1 4 9 0 0 ) 中课题1 “单片集成光电子器件的异质兼容理论与 重要结构工艺创新”( 项目编号：2 0 0 3 c b 3 1 4 9 0 1 ) 及课题2 “低温晶片键合及准单片 光电子集成技术的创新与基础研究”( 项目编号：2 0 0 3 c b 3 1 4 9 0 2 ) 、任晓敏教授承担 的国家自然科学基金“光信息功能材料”重大研究计划重点项目“g a a s 、i i l p 基功能 楔形结构材料工艺研究及在新型光电子器件中应用”( 项目编号：9 0 2 0 1 0 3 5 ) 、黄永清 教授承担的国家8 6 3 计划项目“高性能i v p 基、g a a s 基谐振腔增强型长波长光探测 器”( 项目编号：2 0 0 3 a a 3 1 9 0 5 0 ) 及黄辉副教授承担的国家8 6 3 计划项目“自主创新 w d m 集成解复用光探测器和关键工艺研究”( 项目编号：2 0 0 3 a a 3 1 2 0 2 0 ) 展开的。 在任晓敏教授、黄永清教授和黄辉副教授的精心指导下，笔者针对单片及准单片 集成光电子器件中的大失配异质兼容问题、集成光电子器件中的特殊功能微结构及关 键制各工艺，以及基于特殊功能微结构的新型w d m 集成解复用接收器件的研制，开 展了系统的理论分析和实验研究。 在本论文。的绪论部分，将就本论文的研究意义和论文的结构安排作以简单扼要的 介绍。 1 1 论文的研究意义 1 2 】 我们正处在一个信息化的时代，社会对信息的需求量以超摩尔定律的速度爆炸性 增长，人们可以通过互联网络方便地获取和发布信息资源。i n t e m e t 用户迅猛增加( 据 统计，2 0 0 5 年中国的互连网用户已经超过9 0 0 0 万) ，图像、视频等数字信息量也已经 超过传统的模拟信息量( 例如语音话务) ，占据了网络传输的主要带宽。而新兴的各 种数字业务，例如数字电视、视频点播、交互式媒体等都具有大的信息量，需要网络 提供更宽的传输带宽。由于具有极低的传输损耗和极宽的帝宽，光纤通信从多种通信 技术中脱颖而出，成为信息时代的支柱性传输技术。 光纤通信系统的发展与有源和无源光器件的研制是密不可分的，其中包括各种光 纤器件、放大器、激光器、探测器、滤波器等等。1 9 7 0 年g a a s 基双异质结半导体激 光器实现了室温下连续工作，同年，光纤的损耗也真正降到了2 0 d b k m 以下，这将光 纤通信系统推向了实用化阶段，并开始了长达数十年的持续快速发展。 随着i n g a a s p 激光器和探测器的成功研制，光纤通信的工作波长也由最初的 0 8 9 m 波段转移到1 3 9 m 平n 1 5 5 i t m 波段。1 9 8 7 年掺铒光纤放大器( e d f a ) 问世，光纤 通信系统的传输距离和传输容量都得到了飞跃发展，超长距离光通信传输成为可能， 波分复用f w d m w a v e d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 技术电逐渐成为光纤通信系统研究羽i 北京1 | j | f i 江，、学博! j 掌逝论立骗一章 发展的重点。目前，光纤通信系统早已从当初的点到点传输系统发展为一个具有光交 叉连接( o x c ) 、波长上下路复用( o a d m ) 、可重新配置和动态路由等功能的全 光传送网。这些复杂的网络功能必须使用大量的高性能、新型光电子器件来实现。 从光纤通信系统的发展历史上看高性能、多功能光电子器件是实现复杂系统的 关键。光纤通信系统对高性能、多功能光电予器件及子系统的要求促进了集成光电子 学的形成和发展。相对于分立器件而言，集成光电子器件具有以下的优点： 1 更复杂的功能：在同一芯片中集成多个不同的元器件，通过元器件的组合可以 实现比分立器件更复杂的功能； 2 潜在的低成本：由于多个元器件集成在同一芯片中，只需要一次封装，极大地 降低了封装的成本。而封装成本要占到光电子器件总成本的7 0 以上； 3 更优的性能：集成光电子器件具有更紧凑的结构，更小的光学和电学连接损耗， 在光学电学性能、稳定性和可靠性方面都更具优势。 以史为镜，新一代光纤通信的发展必然强烈地依赖于半导体光电子器件方面的突 破，半导体光电子集成技术的演进正在决定着光纤通信发展的未来。从第一只半导体 激光器问世起，半导体光电子器件经过4 0 多年的发展，正经历着由分立转向集成的重 大转折。人们试图将大量的光电子器件连同相关的微电子电路制作在一个很小的芯片 上。这一转折的意义完全可以与微电子集成技术对于人类社会剧烈而深远的影响相提 并论。 半导体集成技术包括光电子集成( o p t o e l e c t r o n i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s , o e i c ) 和光 子集成( p h o t o n i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ，p i c ) 。其中，光电子集成( o e i c ) 是将发射或 接收光信号的有源光器件( 如激光器、调制器、探测器或光放大器) 、无源光器件( 如 光波导或光耦合器) 与相关的驱动电路、放大电路、信号处理电路、监测控制电路等 电子器件集成在同一芯片上，完成某一特定功能或子系统功能。 半导体光电子集成( o e i c ) 技术包括单片集成、准单片集成和混合集成。光电 子单片集成又可以细分为垂直集成、横向集成和水平集成。从材料学的角度来看，光 子单片集成需要在同一个i n p 或g a a s 衬底上外延生长多种不同能隙波长的材料以完 成不同的功能，而半导体光电子集成则涉及到i n p 、g a a s 和s i 衬底材料。 半导体光电子单片集成面临的最突出矛盾就是材料兼容、结构兼容和工艺兼容这 三大难题，要真正实现光电子单片集成必须先突破半导体材料异质兼容这个瓶颈。由 此引出的第一个科学问题就是“光电子集成结构中异质兼容的途径、机理和物理化学 极限”。“异质兼容”包括两方面内涵，一个就是不同晶格匹配材料系问的兼容，简 称为“异系兼容”；一个就是同一材料中不同带隙材料之问的兼容，简称为“异隙兼 容”。其中，“异隙兼容”所要解决的核心问题是不同器件对于材料带隙的不同要求， 实际也就是光子器件的单片集成： 艺。就“异隙兼容”的实现途径而言，主要包括选 择区域生长( s e l e c f i v ea r e a g r o w t h 、s a g ) 、对接生长( b u t t - j o i n t g r o w t h ) 、量子阱 旺混( q u a n t u mw e l li n t e m a i x i n g ，0 w i ) 吼及非对称烈波导( a s y m m e t l l i c t w i n g u i d e ， 北京i i i k i u 人学博! j 学位论文 筘一帝 a t g ) 等技术，这些不作为本论文的研究重点。 解决半导体光电子单片集成中的“异系兼容”问题主要有以下三大类实现途径： 1 、新型材料系的理论预测，这部分研究工作的主要目的是将“能带工程学”和“品 格工程学”结合起来，寻找与良好的光电子衬底材料g a a s 、或与良好的电子学衬 底材料s i 晶格匹配，且其带隙宽度与光通信长波长波段相匹配的直接带隙半导体 化合物材料，即所谓集成光电子学中的异质兼容材料。就像当年发现 n g a a s w h 刘p 与i n g a n a s g a a s 材料系一样。新型材料系预测要通过寻求新材料来避开“异质外 延”，因此是实现光电子集成( o e i c ) 的最理想手段。如果这一研究工作能获得 突破，集成光电子学将进入一个急速发展的时代。 2 、大失配异质外延( h e t e r o e p i t a x y ) ，它是利用先进的材料外延生长技术( ! i i i m o c v d 和m b e ) 在衬底上生长与其晶格失配的材料体系，它所面临的主要挑战是晶格失 配和热膨胀系数差异所产生的失配。探索新工艺和新方案，优化生长条件，缓解 和释放失配应力，提高异质外延的晶体质量，对于制备高性能单片集成光电子器 件尤为重要。 3 、晶片键合技术( w a f e r b o n d i n g ) ，它作为一种准单片光电子集成工艺，是大失配 异质外延生长的必要补充。特别是i n p 与g a a s 及i n p 、g a a s 与s i 之间的高质量的直 接晶片键合，是制备高性能准单片光电子集成器件( 如长波长v c s e l 和s i 基a p d ) 的重要途径之一。一般来说，晶片对在完成室温下预键合后，要在高温下进行热 退火以增强键合强度，但高温退火又会带来很多严重的负面效应。如果键合晶片 中已含有一些对温度敏感的器件结构，高温退火会导致其性能劣化，甚至失效。 此外高温退火还会导致掺杂源扩散、金属引线熔化变形、结晶结构破坏等。尤其 是热失配较大的异质材料在预键合后经过高温退火处理，材料间不同的热膨胀系 数会产生很大的热应力，热应力又会产生大量的缺陷和位错，甚至会导致晶片破 裂、弯曲甚至完全不能键合。因此降低退火温度实现低温晶片键合也具有十分重 要的现实意义。 半导体光电子单片集成所涉及的第二个科学问题为“光电子集成器件中特殊功 能结构的实现途径与形成机理”。这一问题实质上是第一个科学问题的必要延伸和补 充。在“异质兼容”问题得到解决的基础上，具体集成光电子器件的实现还要靠各种 各样的功能结构的设计和制备，在常规通信光电子器件中引入特殊微结构能够实现器 件性能优化和功能拓展。目前，单片集成微结构体系主要包括四大类结构，即单元分 割异质兼容结构、共面异质兼容结构、立休异质兼容结构和特殊单元功能结构。其中， 特殊单元功能结构( 特别是光栅结构、楔形结构、空气隙结构、特殊图案欧姆接触微 结构等) 是实现光电子集成和制备某些高性能光电子器件的关键，实现这些结构的一 系列关键制各工艺或方法亟待研究探索。 在光电子集成器件研究方面，随着波分复用技术的发展，波长选择探测成为一大 关键它是波分复用技术能够应用于实际光纤通信系统并发挥i 目身强大功能的保证。 北京i h l l i u 人学鹄i j 学位泡义第书 对于目前复用上百个波长，传输速率达几- i 。t b i t s 的密集波分复用( d w d m ) 系统， 要求相应的解复用接收器件的光谱响应线宽小于o 8 r i m ，响应速率大于几十g b i t s 。 对于传输速率更高、复用波长数更多的d w d m 系统，将会要求更窄的光谱响应线宽。 在波分复用传输系统与基于波长路由的全光网络中，具有探测波长可调谐与细锐 波长选择能力的长波长集成解复用接收器件可以在不采用常规解复用技术的情况下 灵活地下路所需波长。这样就有效地克服了目前绝大多数所采用的“解复用器+ 探测 器”的分立器件组合方式所带来的器件成本高、尺寸大、引入额外的插入损耗等缺点。 并且它也是广播一选择式全光网络的关键技术之，它所能够达到的性能在一定程度 上决定着网络拓扑结构的选取，同时也对网络控制协议的具体实施产生着很大的影 响，进而在很大程度上决定着网络自身的功能。 谐振腔增强型( r c e ) 光电探测器，是一种新型垂直腔光电子器件，通过将吸收 层置于谐振腔中，消除了传统p i n 型光电探测器的量子效率和响应速率之间的制约关 系，可以同时获得高响应速率、高量子效率和波长选择性探测【3 】，但其光谱响应线宽 与量子效率之间还存在相互制约的关系，还无法成为一种理想的集成解复用接收器 件。因此，改进传统r c e 型光电探测器的结构，设计并采用光电子集成技术制备出 基于特殊单元功能微结构的新型集成解复用接收器件，使其既能工作在光纤通信的 1