（电磁场与微波技术专业论文）inp基hbt及单片集成光接收机前端的理论与实验研究.pdf

北京邮电大学博士研究生学位论文 i l l p 基h b t 及单片集成 光接收机前端的理论与实验研究 摘要 本论文的工作是围绕任晓敏教授承担的教育部高等学校博士学 科点专项科研基金“基于r c e 光探测器和聃t 的单片集成( o e i c ) 高速光接收模块”( 项目编号：2 0 0 2 0 0 1 3 0 1 0 ) 、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 ) 等项目展开的。 当前，随着w d m 技术的迅速发展、终端客户的迅猛增加及对带 宽需求的不断增大，光纤通信正向以智能化、集成化、低成本和高可 靠性的新一代光通信网络演进。光电集成器件较之分立封装的光电组 件具有尺寸小、光电连接产生的寄生效应低、成本低、性能优越和可 靠性高等诸多优点，满足了光通信进一步发展的要求，因此成为全世 界光通信和光电子领域科学家关注的前沿研究热点和重大课题。 i n p 基异质结双极晶体管( h b t ) 是光电集成器件必不可少的组 成元素，在光纤通信及微波等领域具有极其广阔的应用前景，因而深 入系统地研究i n p 基 玎玎器件具有极其重要的意义。 在任晓敏教授的精心指导下，结合相关项目，作者就i n p 基h b t 及单片集成光接收机的前端部分这两方面展开了深入细致的研究工 作，并取得以下研究成果： 1 从材料物理特性出发，分析了m 玎的物理结构、性能参数。推导 出各个参量的表达式，建立了h b t 物理模型。研究了在不同偏置 条件下，i i l p 基聊各主要物理参量的变化关系。提出了l n p 基 m 玎设计的一整套优化方案。 2 对适用于单片集成的d 玎( 双异质结双极晶体管) 的能带结构 与结电流进行分析和研究。首次提出了一种新型复合集电区结构， 较好地解决了s h b t ( 单异质结双极晶体管) 反向击穿电压低， d 瑚玎电子堆积且与p i n 探测器( p i n p d ) 无法外延共享的问题。 同时，该结构具有外延层结构简单，集电区漂移速率高等优点。 3 针对本实验室的工艺线，完成了2 胛i l l p 基嘲及集成光接收机 北京邮电大学博 ：研究生学位论文 前端工艺条件的摸索与优化。完成了分立器件及集成器件外延结 构的设计与优化、版图的设计与优化。 4 成功研制了分立i n p 基h b t 、p i n 探测器及n i c r 电阻。构建了器 件的测试系统，测试了分立器件的直流与高频特性。其中2 历工 艺的i n p 基耶t ，测得开启电压为0 4 3 v 、击穿电压大于2 v 、直 流增益达到9 0 倍、截止频率达到3 0 g h z 。在台面面积为2 2 2 2 坍： 的情况下，p i n 探测器3 d b 带宽达到1 5 g h z 。n i c f 电阻的方阻值 为1 0 0 q 。 5 建立了h b t 的大信号与小信号s p i c e 电路模型以及p i n 探测器 的高频模型。针对本实验室工艺条件下研制的l n p 基h b t ，采用 直接提取法完成了h b t 的s p i c e 参数的提取。利用提取的参数 建立了h b t 及p i n 探测器的电路模型。模型的直流与高频的仿真 结果与实际器件的直流与高频的测试结果较好得符合。说明提取 的参数及建立的模型较为准确。 6 利用建立的h b t 及p i n 探测器的模型设计了多种形式的前端放大 电路。使用高频电路仿真软件对电路进行直流及高频的仿真，根 据仿真结果对电路形式进行优化与对比，选择出性能优异、结构 相对简单的电路形式，为单片集成光接收机前端的设计与制备提 供支持。 7 成功研制出p i n - p d + 曲t 形式单片集成光接收机前端。探测器台 面面积为2 2 2 2 脚：，h b t 采用3 小工艺，n i c f 电阻的方阻值为 1 0 0 q ，放大电路形式采用跨阻反馈单极共射加输出缓冲电路。在 片测试时，探测器加2 5 v 反向偏压，电路加2 v 偏压的条件下， 测得电路的3 d b 带宽达到3 g i k ，跨阻放大倍数达到8 0 0 。 8 首次提出了一种单片集成光接收机前端的改进方案：r c e p d + 皿t 结构的单片集成光接收机前端。此种集成方式有效地解决 了共享外延层设计的折衷问题。可以在保证h b t 高频性能的同 时，显著提高探测器的量子效率。分析了r c e p d + m 玎单片集成 光接收机前端的性能，并对这种集成器件的制各与测试进行了初 步的尝试。 关键词：异质结双极晶体管( 邶t )双异质结双极晶体管( d h b t ) 光电探测器( p d )光电集成电路( o e i c )参数提取 s p i c e 模型集成光接收机前端 北京邮电大学博j ：研究生学位论文 t h e o r ya n de x p e r d 压e n ti n v e s t i g 棚o no n i n p b a s e dh b ，i a n dt h em o n o l i t m ci n t e g r a 肿 p h o t o r e c e i v e r w i t hm er a p i dd e v e l o p m e n to fw d mo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n 柚d i n c r e a s i n gr c q u i r e m e n to fb a n d w i d t h s ，f i b e rc o m m u n i c a t i o nw i l le v a l u a t e t ot h en e wg e n e r a t i o nw i t hi n t e l l i g e n t ，i n t e g r a t e d ，l o wc o s ta n dh i g h d e p e n d a b i l i t y c o m p a r e d w i t ht h ed i s c r e t e o p t o e l e c t f o n i cd e v i c e s ， t h e 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 s ) h a v et h ea d v a n t a g e so fs m a l l e r d i m e n s i o n ，l o w e rp a r a s i t i c s ，l o w e r s t ，b e t t e rp e d 0 瑚a n c ea n dh i g h e f r c l i a b i l i t y 0 e i c sh a v ea l r c a d yb e c o r n ee x t r e m e l ya t t f a c t i v ed o m a i na s t h ef i l n d a m e n t a lr e s e a r c hs u b j e c ti i lt h ea r c ao fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s a n d 叩t o e l e c t r o n i c s 1 l l p - b a s e dh e t e r o i u n c t i o nb i p o l a rt r 柚s i s t o “h b di st h ee s s e n t i a l c o m p o s i t i o ne l e m e n to fo e i c s ，a l s oh 勰m a n ya t t r a c t i o n si nt h ef i e l do f f i b e rc o m m u n i c a t i o na n dm i c r o w a v ec o m m u n i c a t i o n s ot h er e s e a f c ho n i n p - b a s e d 玎b th a se x t r e l n e l yi m p o n 柚tm e a n i n g s u p e n r i s e db yp r o a o i i l i nr e n ，柚dm r o u 曲p a r t i c i p a t i n gi nt h e r e s e a r c hp r o j e c t sr e l a t i v et 0o e i c s ，t h e 跚t h o rf b c i l s c d t h ed e s i g i la n d f a b r i c a t i o ni n p - b a s e dh b ta n dm o n o l i t h i ci n t e g r a t e dp h o t o r c c c i v e r r e s e a r c hr e s u l t s ，a sl i s t c db e l o w h a v eb e e na c h i e v e d 1 p r 0 e d 加mp h y s i c a lc h a f a c t e f i s t i c so fm a t e r i a l s ，t h ep h y s i c s s t m c t i l r ea n dp e d - o r m a n c ep a r a m e t e f so fh b th a sb n 柚a l y s e d t h e e x p r c 豁i o n so fe a c hp a r a m e t e f h a v eb e e nd e 由e do u t ，n ep h y s i c a l m o d e lo f 髓th a sb e c o n s t m c t e d 1 1 l er e l a t i o n s h i po fp h y s i c a l p 啪m e t e r so fi n p b 硒e dh b tu n d e rd i f 绝r e n tb i 够h 勰b ns t i l d i e d t h cw h o l es c h e m ei se s t a b l i s h c dt 0o p t i m i z et h cd c s i 驷o f1 l l p b a s e d h b t 2 n ed m 玎( d o u b l eh c t c r o j u n c t i o nb i p o l a rt 舢s i s t o r ) 璐e d f o r v 北京邮电大学博： 研究生学位论文 m o n o l i t h i ci l l t e 酎a t e dp h o t o r c c c i v e ri s 粕a l y s e d an o v e lc o m p o s i t e c o l l e c t o rl a y e rs t m c t u r ei sp r c s e n t e df o rt h ef i r s tt i m e ，w h i c hb e t t e f s o l v e st h ep o o rb r c a k d o w nv o l t a g eo fs h b t ( s i n 百eh c t e r o j u n c t i o n b i p o l a ft r a n s i s t o f ) a n dt h ee l e c t r o nb l o c k m ge f ! f o n so ft r a d i t i o n a l d h b t i na d d i t i o n ，t h e 印i t a x yl a y e ro fi h i ss t m c t u r ei se 鹬yt og r o w a n dt h ee l e c t r o nv e l o c i t yo fc o l l e c t o ri sh i g h 3 b a s e do nt h ep m c e s sf l o wo fo u rh b ，d e v e i o p i n g 蛐d0 p t i m i z i n gt h c p n x 譬s sc o n d i t i o n s 蠡f 曲r i c a t i n g2 肛埘s i z es t ) r l el n p b a s e dh b ta n d m o n o l i t h i ci n t e g r a t e dp h o t o r e c e i v e fh a v eb e c nc o m p l e t e d t h ed e s i g n o fe p i t a x yw a f e fa n dl a y o u tf o rb o t hd i s c r c t ed e v i o e s 柚di n t e g r a t e d d c v i c c sh a v ec o m p l e t e d 4 1 1 1 ei n p b a s e dh b t p i n p da n dn i c rr e s i s t a n c ch a v eb e e n f a b f i c a t e d t h et c s t i n gs y s t e mh a sb e e ns e tu p r e 蛐l t so ft h e s e d e v i c e sa r ed e s c r i b e da st h ef b l l o w i n g ：a st ot h e 劬ms i z es t y l eo f i n p - b a s e dh b t ，t h eo p e nv o l t a g ei s0 4 3 v ，t h eb r e a kd o w nv o l t a g ei s b e y o n d2 v ，叫r e n tg a i ni s9 0 ，t h et h ec i i t o f ! ff r e q u e n c y ，r i s3 0 g h z ； 雒t 0t h ep i n - p do f2 2 2 犁m 。i n c i d e n c ea r c a ，t h e3 d br e s p o n d i n g b a n d w i d t hi s1 6 g h z ；a st ot h en i c rr e s i s t a n c e ，t h es q u a r cr c s i s t a n c e i s l 0 0 q 5 。t h el a r g es i g i l a la n ds m a l ls i g i l a ls p i 伍c i 咖i tm o d e l so fh b ta n d h i g t l - f r e q u e n c ym o d e lo fp i np h o t o d e t e c t o r h a v eb e c nc o n s t n l c t e d b a s e d0 nt h eh b tw h i c hi sf a b r i c a t e di i io u rl a b sp r o c e s sn o w ， u s i n gd i r e c te x t f a c t i o nm e t h o d ，a l lt h e 卸b t ss p i c ep 缸a i 鹏t e r sh a v e b e e ne x t m c t e d u s i i l gt l l e s p i c ep a r a m e t e 璐，t l t l ec i f a l i tm o d e l so f m 玎柚dp i nd h o t o d e t e c 缸h a v eb e 锄o b t a i n e d 1 1 1 ee n m l a t i o n r e s u l t so fm o d e la r cq u i t eo 叭t e s p o n d e dw i mt h et e s t i n gr e s u n so f r c l e v e md e v i c e s w h i c hp m v et h a tt h ep 甜a m e t c r 加dm o d e la r e c o m p a r a t i v e l ya c c u r a t e 6 b a s c d m o d e l so f i ta n dp md e t e 咖f ，w eh a v ed c s i g i l e d v a r i a l f b n n so ff h ) n t e n dp b o t o f e i v e r sd r 饥i t sw eu s et h eh i g l l f 把q u 锄c yc i 枷i t 啪u i a t i o ns o f t w a r c t ot e s tt h ed c 锄da c c h a r t e r i s t i c s ，叩t i m i z e 锄dc o n t r a s tt h ec i 枷i ts 哆l e sa c c o r d i n gt o t h ee m u l a t i o n 此s u l t f 抽r i c a t cm ed r c u i tf o r 玎晦w h i c hh a 、，er e l a t i v e l v s i l i ，p l es t r u c t i l r ea n de x c e l l e 皿c ep e d 0 n n a n c e t h e s ec j h ：i l i tf 0 姗sw n l 北京邮电大学博t 研究生学位论文 b et h ep r c p m t i o nf o rt h cd e s i g n i i l gt b em o n o l i t l l i ci n t e g m t e d p h o t o 陀c e i v e f 7 t h em o n o l i t h i ci n t c g f a t e dp i n p d + m 玎p h o t o r c c c i v e rh 勰b e 锄 f a b r i c a t e d n ei i l c i d e n a r 髓o fp l n p di s2 2 2 私i 以i n p b 勰e d 舶ti s 靴ms i z cs 钾l e ，t h es q m r er c s i s t a n c co fn i c r 麟i s t 加i s 1 0 0 q ，i h e 姗p j i 五贸d r a i i ti st f a n s i l i l p e d 卸c ef c e d b a c k 枷p l 谕rw i h o n es t a g ec o m m o ne m i t t 盯a n do u t p u tb u 饪hc i r c u i t s w h e nt h e d e t e 曲阿a d d e d2 5 vr e v e 娼eb i v o l t a g ca n dt h ed 蜘i ta d d e d2 v b i 鹬v o l t a 霉c t h et c s ti e 蚰l to ft h i sp h o t o r e c c i v e ri s ：3 d bb a n d w i d t ho f t h ed r c u i tr e a c h e s3 g h z ，t h et r a n s i m p e d a n c ei su pt o8 0 0 8 an o v e li m p r o v e m e n ts c h e m eh a sp r o p o s e df b rt h ef i r s tt i m e ：t h e m o n o l i t h i ci n t e g r a t e dp h o t o r e c e i v e rw i t hr c e p d + h b ts t m c t t l r e s u c hi n t e g r a t e ds t m c t t l r eh a se f 诧c t i v e l vs o l v e dt h et r a d eo f fp r o b l e m s o fd e s i g n i n gs h a r e de p i t a x y ，c a ni n c r e a s et h eq u a n n l me f f i c i e n c yo f t h ed e t e c t o rn o t a b l yw h i l ek e e p i n gh b t h i g l l - 仃e q u e n c yp e 渤姗a n c e t h ep e r f 0 姗a n c e so fr c e p d+ h b th a v e a n a l y s e d ，a n dt h e p f c l i m i l l a r yf a b r i c a t i l l ga n dt e s t i n go f 叭c hi n t e 蓼a t c dd e v i c eh a v e c a r r i e do u t k e yw o r d s ： h e t e r o j u n c t i o nb i p o l a r i r a n s i s t o r ( h b d d h b t p h o t o d c t e c t o f o e i c p a r a m e t e re x t m c t i o n s p i c em o d c jm o n o l i t h i ci n l e g r a t e dp h o t o r e c e i v e r 北京邮电大学博七研究生学位论文 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， 本人签名：7 荔乒圣秘 本人承担一切相关责任。 日期：3 邋互z ：! ! 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) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 北京邮电大学博士研究生学位论文 第一章绪论 本论文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 ) 、任晓敏教授承担的教育部高等学校博士 学科点专项科研基金“基于r c e 光探测器和h b t 的单片集成( o e i c ) 高速光接 收模块”( 项目编号：2 0 0 2 0 0 1 3 0 1 0 ) 、北邮一中兴通讯光通信联合实验室主任基 金项目“高速p 玳用b t0 e i c 光接收机前端模块”、等项目展开的。在任晓敏教授 的精心指导下，作者与课题组的其他同学共同对异质结双极晶体管( 耶t ) 及单 片集成光接收机前端进行了理论和实验的研究工作。 1 1 光电集成( o e i c ) 的应用价值与意义 1 9 5 8 年基尔比( i 【i l b y ) 发明了硅基微电子集成电路( h t e 删e dc i r c i i i i ，i c ) ， 近半个世纪以来，这项革命性的技术深刻地影响了人类社会，彻底地改变了人们 的生活方式，将人类社会由工业文明带入到信息文明时代。 上世纪6 0 年代，砧f c d 0 v 与k r o e m c r 在i i i - v 半导体异质结构技术作出了 开创性的杰出贡献，现代异质结构物理学和电子学因此而创立，为光电子技术的 不断发展奠定了基础。二人因此荣获2 0 0 0 年度诺贝尔物理学奖。 当今世界正在演绎着一场光电子器件由分立转向集成的重大转折。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，实现光电集成意义 上的s y s t e m o n c h i p ，是人类的梦想和渴求，也是高科技发展的必然。毫无疑问， 光电子集成必将成为未来世界各国科技竞争乃至综合实力较量的战略制高点。 作为光电子器件应用的重要领域，光纤通信与光电信息处理技术的飞速发展 对光电子器件的灵敏度、响应速率、稳定性、集成化和更多功能等方面也提出了 更高的要求。由于分立器件和电路本身的物理限制，已经不能同时满足以上的要 求。光电集成器件较之分立封装的光电组件具有尺寸小、光电连接产生的寄生效 应低、成本低、性能优越和可靠性高等诸多优点，满足了光通信进一步发展的要 求，因此成为光通信和光电子领域科学家关注的前沿研究热点和重大课题。 光电集成( o p t i le l c c t 啪i cb t c 鲫t c da r c i l i t s ，o e i c ) 是将光器件与电器件 集成在同一芯片上而形成的具有光子和电子两种信号处理功能的集成电路。 0 e i c 从类型上说可分为：单片集成和准单片集成。所谓的准单片集成是指 采用品片键合( w a f c rb d i n g ) 工艺或者倒装焊( f l i p c h j p ) 工艺将事先在两种 北京邮电大学博l ：研究生学位论文 或多种衬底材料上成长完成的器件或结构“贴”在一起。单片集成是指在同一衬底 上生长有源光器件、无源光器件及电子器件。 单片光电集成可以减少器件的体积和寄生效应，提高器件的速率和成品率具 有高速率、稳定性好、多功能的特点。同时有效地降低了器件成本。由于单片集 成的巨大优势，对其的研究和制各成为目前光纤通信的热点研究方向。( 在无特 别说明的情况下，本论文所提及的光电集成都是指单片光电集成) 从材料上说，o e i c 目前主要为g a a s 基和i n p 基材料。g a a s 基材料o e i c 器件主要用于光接入网和信号处理等方面；l n p 基材料o e i c 器件的应用领域为 长距离光通信。 1 2 单片o e i c 光接收器件的研究与发展现状 对于光通信系统而言，单片o e i c 光接收器件是光电子集成领域的研究热点 之一。完整的单片o e i c 光接收机，是将光探测器( p h o t o d e t e c t o f ，p d ) 、低噪声 前置放大电路、有限幅功能的主放电路、时钟和数据恢复再生电路和解复用输出 电路集成在一个晶片上，如图1 1 所示。其中由光探测器和低噪声前置放大电路 组成部分称为光接收机前端( 简称光前端，p h o t o r e c c i v c r ) 。 光探测器将经过光纤传输衰减和畸变后的微弱光脉冲信号通过光电转换为 电流信号，对光探测器要求是高的量子效率、低噪声、高响应速率。光探测器产 生的光电流非常微弱( n a 脚a ) 。前置放大器将来自光探测器的微弱电流进行放 大并转换为电压输出，前置放大器要求低噪声、高增益。主放大器将前置放大器 输出的电压信号放大至一个足够大且恒定的幅度，以便后续时钟恢复和数据判 决。时钟恢复和数据判决电路用来实现时钟和数据的再生 图1 1 完整的单片o 日c 光接收机功能框图 单片o e i c 光接收器件中的电子器件主要包括以下几种晶体管：传统肫t ( j h 玎，m e s h 汀和m o s f e t ) ，高电子迁移率晶体管( h i g he l e 咖nm o b i l i t y t r a n s i s t o r 脏h f r ) 和异质结双极晶体管( h n c r o j 衄d i 伽b i p o l a rt r a 鹏i s t o r ，h b t ) 。 一般而言，单片o e i c 光接收器件的带宽上限仅为所使用晶体管带宽的2 5 【l 】， 2 北京邮电大学博士研究生学位论文 因此使用传统f e t 的单片0 e l c 光接收器件带宽较小，速率通常限制在2 5 g b i 帕 以下1 2 j 。所以，目前单片0 e i c 光接收器件中普遍采用高速明j m t 和h b t 器件。 眦m t 基本原理利用a l q a 帕a a s 或h l 舢a s h l g a a s 的界面的二维电子气 ( n 吣d i m 如s i e l e c 仃o n i cg 鹤，2 d e g ) 作场效应晶体管的沟道层。利用先进的 电子柬光刻技术，目前! m t 的栅极宽度已经达到加1 岫1 量级，因此髓m t 具有很好的高速特性，g a a s 基胍m t 的截止频率疗可达2 6 0 g m p 、h p 基 趣m t 的，r 可达4 5 0 g h z l 4 j ； h b t 则是在发射区采用宽禁带材料，基区和集电区采用窄禁带材料，如图 1 2 所示。在宽禁带发射区与窄禁带基区的界面处，由于导带和价带不连续，一 方面提高了基区空穴注入到发射区的势垒，降低了基极反向电流；另一方面降低 了发射区电子注入到基区的势垒，提高了基极正向电流，因此可以保证电流增益 很大，同时发射区的掺杂浓度可以很低，而基区的掺杂浓度可以很高。因此，与 传统的双极晶体管( b i p o l a fj u n c t i o nt r a n s i s t o r 脚t ) 相比，h b t 不仅降低了基 区电阻，而且也减小了基区一发射区结电容，从而提高了器件的工作频率。目前 g a a s 基h b t 的厂r 可达1 7 0 g 必5 】、l n p 基h b t 的厅可达7 1 0 g 倒6 j 。 图1 2 m ，t 能帝示意图 单片o e i c 光接收器件的光电探测器件目前主要采用：m s m ( m c t a l s 啪i c o n d u c t o rm e i a l ) 型光电探测器和p 矾型光电探测器。 m s m 的叉指状( i n t e r d i 百忸t e df j n g c r ) 电极结构位于器件的同一个平面上， 电极之问的电容与指问宽度相关，m s m 与h e m t 都属于横向器件，制备工艺完 全兼容，且具有良好的高频特性。p 玳与h b t 都属于纵向器件，制备工艺完全 兼容，并且可以获得较高的量子效率和良好的噪声性能。 由于m s m p d 与髓m t 器件、p p d 与h b t 器件这两种集成组合在材料 生长及工艺制备方面都具有良好的兼容性，近几年中，这两种集成组合的研究进 展很快，目前实验室最高速率的p wh b t 单片集成光前端达到7 5 g b ，s 川。m s m 3 北京邮电大学博士研究生学位论文 探测器与h e m t 集成的芯片封装后3 d b 带宽可达7 0 g h z ，可工作在8 0 g b ，s 速率 嗍。目前集成度最高的i n p 基o e i c 是：器件共有2 1 0 0 个h l 玎，工作速率为 7 5 g b i 体。包括p 小、跨阻前放，限幅放大器，时钟恢复，数据再生电路，1 ：1 0 的 解复用器【9 l 。 1 3i n p 基p i n - p d + 舳t 集成光接收机前端的提出【n 1 6 l 在o e l c 光接收器件中，集成光接收机前端( 简称：集成光前端) 部分对整 个光接收器件的速率和灵敏度具有重要的影响。因为光探测器产生的光电流很微 弱，如果采用一般的放大器，由于放大器本身会引入噪声，后一级放大器必然会 将前一级放大器引入的噪声进行放大，因此，信噪比不会得到明显改善。为了解 决上述问题，需要一个低噪声，高增益的前置放大器对信号进行放大。因此前置 放大器是数字光接收机的关键部分，要与光探测器达到良好的匹配，并获得较低 的噪声和较宽的带宽。 目前单片o e l c 的研究处于起步阶段，集成度相对较小。由于光前端部分集 成分立器件数目较少，而且其性能对整个光接收机性能影响很大，因此，本论文 将对单片集成光前端进行研究。 在材料选择方面，单片集成光前端以h i p 系材料( h l p 伽 l a s ，l n g a a s ) 为主， 一方面是由于h i p 系材料的半导体光电子器件工作波长位于1 3 1 缸m 传统单模 光纤低损耗和低色散窗口内；另一方面h l p 系材料具有较高的饱和速率，因此基 于h l p 材料的器件可获得良好的高速特性。 在对集成方式的选择上，笔者对m s m p i ) 髓m t 与p 矾p d h b t 两种集成 方式进行了比较。在相同器件带宽的要求下，腿m t 的最小尺度( 栅极宽度) 远 小于h b t 发射极宽度。目前要达到8 0 g 的截止频率，h p 基如z m t 的栅极宽度 一般为o 2 5 m l ，h p 基m 玎的发射极宽度一般为1 朋。所以砌；t 对光刻的要 求并不很严格；并且眦m t 栅极开启电压( 4 巧v ) 高于阿玎基极一发射极导通 电压( m 6 v ) ，从而导致胍m t 电路的偏置控制比较困难；同时h b t 还具有低 的基极电阻、低的发射结电容、较高的注入效率、较大的跨导值和驱动能力；而 p 玳p d 的暗电流和噪声特性也远较m s m p d 优越。因此在实验室现有的条件下， 笔者选择了p m p d + h b t 这种集成方式。 由于本实验室以前涉及h b t 方面的研究较少，作为集成光前端的电器件， 需要首先对其理论及实验进行研究。所以本论文将围绕h 1 p 基m 玎及b 1 p 基 p n p d + h b t 集成光前端两方面展开。 4 北京邮电大学博士研究生学位论文 1 4 论文的结构安排 本论文围绕h p 基h b t 及集成光前端两方面开展了大量的理论与实验研究。 论文将按照集成光前端研究的流程( 如图1 3 所示) 为主线进行论述。论文的结 构安捧如下： 第二章论述了i 玎的发展历史、原理机制及其主要性能参数，并对h b t 材 料的生长技术，材料体系，特殊工艺进行了研究。 第三章对单异质结m 玎( s h b t ) 器件的物理结构、理论模型及性能参数做 了较为详细的论述。本章从材料物理特性出发，推导出各个参量的表达式，建立 了h b t 理论模型。本章给出了在不同的偏压下，i n p 基m 玎各主要物理参量的 变化关系。提出了i n p 基h b t 设计的一整套优化方案，为实际器件的制作提供 了理论指导。 第四章对适用于光电集成的双异质结h b t ( d h b t ) 的能带结构与结电流进 行分析和研究，首次提出了一种特殊的复合集电区结构，较好得解决了s h b t 反 向击穿电压低，d h b t 电子堆积且与p 烈无法外延共享的问题。同时，该结构具 有外延层生长简单，集电区漂移速率高等优点。 第五章论述了分立砌玎、p 玳探测器、n i c r 电阻的制备过程。分别介绍了 版图设计、外延片结构、工艺步骤与参数、关键工艺及难点。构建了器件的测试 系统，分别测试了分立器件的直流与高频特性。其中2 小工艺的h l p 基h b t ， 测得开启电压为0 4 3 v 、击穿电压大于2 v 、直流增益达到9 0 倍、截止频率达到 3 0 g 。在台面面积为2 2 2 2 岸聊2 的情况下，p 探测器3 d b 带宽达到1 5 g h z 。 n i c r 电阻的方阻值为1 0 0 q 。 第六章建立了珊玎的大信号与小信号s p i c e 电路模型以及p i n 探测器的模 型。采用直接提取法对第五章中研制的分立h b t 的s p i c e 参数进行提取。利用 提取的参数建立了h b t 及p 小探测器的电路模型。模型的直流与高频的仿真结 果与实际器件的直流与高频的测试结果较好得符合。说明提取的参数及建立的模 型较为准确。 第七章介绍了单片集成光前端设计的基本要求及放大电路的基本组态。利用 第六章所建立的h b t 及p 酣探测器的模型设计了多种形式的前端放大电路。使 用高频电路仿真软件a d s 对电路进行直流及高频的仿真，根据仿真结果对电路 形式进行优化与对比，选择出性能优异、结构相对简单的电路形式，为单片集成 光接收机前端的设计与制备提供支持。 第八章根据第七章的分析，在实际单片集成光前端的制备时，电路形式采用 了跨阻反馈单极共射加输出缓冲电路。这种电路所用的分立器件较少，对工艺要 5 北京邮电大学博 研究生学位论文 求较低，集成光前端的成品率高。同时电路性能比较优越，带宽、跨阻放大倍数 较大。笔者成功制备了单片集成光前端。在片测试时，探测器加2 5 v 反向偏压。 电路加2 v 偏压的条件下，测得电路的3 d b 带宽达到3 g h z ，跨阻放大倍数达到 8 0 0 。本章论述了这种单片集成光前端的制备工艺，讨论了测试结果。 接下来，笔者首次提出了一种单片集成光前端的改进方案：r c b p d + h b t 结构的单片集成光前端。此种集成方式有效地解决了共享外延层设计的折衷问 题。可以在保证h b t 高频性能的同时，显著提高探测器的量子效率。笔者分析了 r c e p d + h b t 单片集成光前端的性能，并对这种集成器件的制备与测试进行了 初步的尝试。 6 矗i 蒗面n l d 参数提旷 堑鐾窑謦生 i 图1 - 3 集成光前端研究流程示意目 结果不 符合 北京邮电大学博t 研究生学位论文 参考文献 【1 】ep a 弘c ta l ，”n ek c y t o 姗舢n i c a t i n g a tl i g h t 孵d h i 曲s p e c d o p 眦i c 咖砌c f c i v e 瑙f o r6 b c r _ o p t i c m m 彻j c a t i o 璐”，m e ea 枷i 协d c v 妇s 、b 1 1 4 ， 5 ，1 9 9 8 ，p p 1 6 2 5 【2 】eb h a t t a c h a r y a ，s c m i n d u c i o fo p t o e l a 咖n i cd c v i o c s ，2 n de d ，p t c n t i c c 蹦l ， 1 9 9 7 【3 】s b o i h c n yc o r d i c r ，na i 。”0 0 6 岬g a t cl 印g i hm e t 锄o i p h i ci l l o j 雄i o 孵 刚j 3 g a 0 4 a sh e m t s g a a sw i t hh i g l if t 柚d ) 【”，2 0 0 1h l pa n dr e l a t e d m a t e r i a l s ( i p r m ) i e e ei n t c m a l i o n a lc o n f c f c n ，m a y2 0 0 1 ，p p 1 9 2 一1 9 5 【4 】s h i n o h a 鸭yy a m 硒h i 饥”l n p b 鹬e dh l ! m t sw i t hac l l t o f f 雠q u e n c yh i 曲e r t h a n4 5 0g h z ”，2 0 0 2d e v i c er c s e a f c hc o n f e 瑚c e ，6 0 t hd r c c 0 n f c r e n c ed i g e s t ， j u n e2 0 0 2 p p 1 6 3 1 6 6 【5 1 勋z u h i i om o c h i 邵k i 慰y o s h io u c h i ，c ta 1 ，”h e a v n y ( 舢o n d o p e dh l g a p a a a s m 玎sw i t hb u r i c dp o l y c r y s t a l l i n eg a a su n d c f t h cb 鹪e 日e c 打o d c ”，l e e et m n e i e c 灯蛐d “i c 船，、，0 1 4 5 ，n o 1 1 ，1 9 9 8 ，p p 2 2 6 8 - 2 2 7 4 【6 1w f c z ，w s n o d 胖s 柚dm f c n 岛“1 2 5 枷b 黜p s e u d o 啪啪i ch c l c f o j 岫c t i b j 删盯仃觚s i s t o ra c h i c v i n gf l r = 7 1 0g 也a n df = 3 4 0g l i z ，”a p p l i c d p h