光电集成的发展及前景

1、光电集成的发展及前景 摘要1 1引言1 2光电集成的分类2 3光电集成器件2 3.1 OEIC光发射机器件3 3.2 OEIC光接收机器件4 3.3光中继器件5 4 GaAs OEIC 和 InP OEIC5 5光电集成的优点及技术问题7 6光电集成的前景8 参考文献8 8 / 9 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，近十儿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； Abstract Photoelec

2、tric 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, andhas abriefly analysis of two kinds of mate

3、rial of photoelectric integrated circuits, and discusses the future of the application of photoelectric integration technology 1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, 乂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础化稼单晶薄膜，在衬底的 硅面制

4、作电子元件，在碑化镣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神化稼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神化稼外，还可在碑化稼晶片上 异质外延磷化锢单晶薄膜。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用的兴趣，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）o简言

5、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，它山光电探测器、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光接收机器件主要山探 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。要获得高灵敬度、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

6、光信息转换的电路，山光发射器件、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光发射机器件是曲激 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（

7、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：设汁灵活性差，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

8、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，但山于工艺较为 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 O

9、EIC光发射机器件是山激光二极管（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光发射机器件硏究的重点是高速率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

10、构，InP 基 LD lth10mA （1 kA/cm2）, GaAs 基 LD lth1mA （200A/cm2）o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

11、、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，并且其垂直儿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。LI前，GaAs基OEIC发射机已接近实用，InP基OEIC发 射机正在研究中o4.92ftm波长的GalnAsP OEIC发射机3dB带宽已达6.6GH乙 采用HEMT的OEIC光发射机调制速率达10Gb/So 3.2 OEIC光接收机器件 OEIC光接收机器件主要山探测器和电子放大电路（晶体管放大器）

12、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。要获得高灵敬度、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、高灵墩度、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。U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

13、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。U前，最新的

14、OEIC光接收机主要 III 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/lnAIAs/lnP HEMT集成的PIN PD/HEMT光接收机的速率达40 50Gb/s,频带宽达40GH乙可望达60GHz。若在输入端加半导体光放大器和可 调谐滤波器，可获得高灵敬度（-18.5dBm）、高增益（0.7V/W）的OEIC光接收 机。据

15、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lOOGHZo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178MHZo OEIC光中继器的研究重点是4.27ftm的光-

16、电-光 PIN/FET-FET/LD单片集成。在Si-lnP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。发展口标是将LD、PD、光开关、光复用器/解复用器及儿种 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 最有代表性的神化稼（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

17、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AIGaAs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)o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岀的调制电流。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儿个 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

18、,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X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，山这些材料构成的MESFET因较低的 肖特基势垒，造成高的栅泄漏电流。因lit, InGaAsP/lnP的OEIC不宜使用 MESFETo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，它具有山

19、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，山于跨 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。山于激光器与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III一个驱动电路和在InP层及InGaAsP层上的激光器组成，见 下图。 as i 松下公可的光发射芯片的铃效电路 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，用于多路通信的儿个不同波长的光 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题：