光电集成的发展及前景

1、.PAGE ：.；PAGE 8 光电集成的开展及前景 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc281300782 摘要1 HYPERLINK l _Toc281300783 1 引言1 HYPERLINK l _Toc281300784 2 光电集成的分类 PAGEREF _Toc281300784 h 2 HYPERLINK l _Toc281300785 3 光电集成器件 PAGEREF _Toc281300785 h 2 HYPERLINK l _Toc281300786 3.1 OEIC光发射机器件 PAGEREF _Toc281300786 h 3 HYPER

2、LINK l _Toc281300787 3.2 OEIC光接纳机器件 PAGEREF _Toc281300787 h 4 HYPERLINK l _Toc281300788 3.3 光中继器件 PAGEREF _Toc281300788 h 5 HYPERLINK l _Toc281300789 4 GaAs OEIC和InP OEIC PAGEREF _Toc281300789 h 5 HYPERLINK l _Toc281300790 5 光电集成的优点及技术问题7 HYPERLINK l _Toc281300791 6 光电集成的前景8 HYPERLINK l _Toc28130079

3、2 参考文献 PAGEREF _Toc281300792 h 8光电集成的运用及前景摘要光电集成技术是继微电子集成技术之后，近十几年来迅速开展的高技术，已吸引了宽广人们关注。本论文主要是引见光电集成电路的分类和光电集成的器件，简要的分析了两种资料的光电集成电路，并展望了未来广电集成的运用前景。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 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，除了要处理元件构造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资料。为了使不同资料互补，按要求进展优化组合，又开展出一种复合衬底资料，即利用异质外延技术，在一种衬底资料上外延另一种衬底资料薄膜，如在硅片上异质外延砷化镓单晶薄膜，在衬底的硅面制造电子元件，在砷化镓薄膜上制造光子元件。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，降低本钱，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。利用复合衬底资料，已制出一批光、

6、电子元件，以及光电集成的光发射机和光接纳机。随着光通讯、光信息处置、光计算、光显示等学科的开展， 人们对具有体积小、分量轻、任务稳定可靠、低功耗、高速任务和高度平行性的光电子集成产生浓重的兴趣，加之资料科学和先进制造技术的进展使它在单一构造或单片衬底上集成光子器件和电子元件成为能够, 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。常见的接纳器件有光电晶体管、硅光电池等。OEIC光接纳机器件主要由探测器和电子放

7、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置后输出。要获得高灵敏度、高量子效率的OEIC光接纳机,那么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、高呼应度、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,普通有三种集成类型：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

8、讨的重点是高速率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，通常采用垂直构造和二维程度构造等根本构造。垂直集成构造是分别设计光和电子器件构造，将不同的光电器件以垂直块方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，并用绝缘层进展

9、电隔离。这种叠层构造的特点是一切层都能在衬底上用一步或反复生长方法依次生长，并可实现三维集胜利能。其益处是：电路简单,消费和制造工艺简单，经过将器件层堆叠提高了实践集成度。缺陷是：设计灵敏性差,不能实现高速任务，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、废品率低及不适宜于大规模集成，所以较少采用。二维程度集成构造是将光器件和电器件程度陈列于衬底上，采用一步生长的方法完成集成。该构造的特点是利用了光器件和电器件一样的晶体层一步生长完成集成。其益处是：寄生电容小,废品率高。缺陷是加工复杂，由于光器件厚度比电器件厚得多，易构成台阶，产生细小图像较为困难。二维程

10、度构造是OEIC器件最感兴趣的构造方式，他可将单元间的电容耦合降到最低，但由于工艺较为复杂，设计时往往要在分别器件性能方面进展折中处置。OEIC器件主要包括OEIC光发射机器件、OEIC光接纳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，普通有三种集成类型：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光发射机器件研讨的重点是高速率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、方式稳定、高特征温度，并且便于集成。适宜OEIC光发射机器件的激光器有以下两种，隐埋异质

11、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造工艺复杂化。分布反响DFB和分布布喇格反射器DBR激光器：有低阈值电流Ith和量子阱增益构造，InP基LD Ith10mA1kA/cm2，GaAs基LD Ith1mA200A/cm2。量子阱QWLD不仅有极低的Ith，可望在10倍Ith下任务，更有高微分增益和高调制速率，是OEIC光发射器件的最正确光源。驱动电路的作用是控制经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、构造简单，HBT有较高的增益特性和较快的呼应速度。在GaAs短波长中多采用金

12、属-合金-半导体MESFET。在InP长波长中，普通采用金属-绝缘体-半导体MISFET和调制掺杂MODFET。20世纪90年代以来，具有高互阻、高跨导、低噪声的HBT和HEMT逐渐替代各种FET成为主流，使OEIC发射器件性能得到极大提高。特别是HBT消除了高栅走漏电流，并且其垂直几何外形和高速性能非常适宜高密度集成。自OEIC技术诞生以来，主要努力于光发射机器件和光接纳机器件的研讨，但OEIC光发射机比光接纳机的进展缓慢。目前，GaAs基OEIC发射机已接近适用，InP基OEIC发射机正在研讨中。4.92ftm波长的GaInAsP OEIC发射机3dB带宽已达6.6GHz，采用HEMT的O

13、EIC光发射机调制速率达10Gb/s。3.2 OEIC光接纳机器件OEIC光接纳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置后输出。要获得高灵敏度、高量子效率的OEIC光接纳机,那么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、高呼应度、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，运用较少。运用最多的是低电容、低暗电流的PIN PD，但他和FET集成较为困难。为顺应高速率、宽频带呼

14、应的需求，PIN有所改良。目前已制出具有高速才干的金属-半导体-金属MSMPD，其电容更低、工艺简单，但暗电流稍大10nA以上。更有一种多模波导构造WGPD，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，因此倍受注重。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纳机性能不高，和PIN PD集成较困难。采用改良频带型MODFET虽添加了带宽最高达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、高速化通讯的需求。HBT具有高速、高电流驱动才干，更有高跨导和非常均匀的阈值，并可进展较高密度封装。O

15、EIC光接纳机的开展趋势是高数字速率和宽频带呼应。目前，最新的OEIC光接纳机主要由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,改良后可制成58 GHz带宽的毫米波OEIC光接纳机。 MSM PD/HEMT OEIC光接纳机的最大带宽达38 GHz。InGaAs/ InP PIN和 InGaAs/InAlAs/InP HEMT 集成的PIN PD/HEMT 光接纳机的速率达4050Gb/s，频带宽达40GHz，可望达60GHz。假设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0.7

16、V/W的OEIC光接纳机。据预测，这种PIN PD/HEMT OEIC光接纳机最正确化设计后速率可望到达100 Gb/s，截止频率可望到达100GHz。多模WG PD使边入射型OEIC光接纳机也获艰苦突破,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、光接纳器件和放大电路器件集成在一同，兼有光发射、接纳和放大功能。其特点是不用将光信号检波后再放大，而是直接进展光放大。已获得在GaAs衬底上制造的PIN PD/FET/BH LD单片集成光中继器，其增益带宽乘积为178MHz。OEIC光中继器的研讨重点是4.

17、27ftm的光-电-光PIN/FET-FET/LD单片集成。在Si-InP衬底上制造的PIN/FET/LD单片集成光中继器中，光接纳和光放大功能由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。开展目的是将LD、PD、光开关、光复用器/解复用器及几种电子电路集成在一同，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

18、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 的作用是控制经过激光器的电流,其中一只提供维持激光器在闭值以上任务的偏流, 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, 这种构造的OEIC 限制经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。要想获得高速任务的OEIC 光发射, 应采用平面型构造,这时应该将生长激光器位置的沟道经过刻蚀工艺将其降至到衬底

19、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, 实现高速任务的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纳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, 由这些资料构成的MESFET 因较低的肖特基势垒, 呵斥高的栅走漏电流。因此, InGaAsP/InP 的OEIC 不宜运用MESFET。异质结双极晶体管(HBT) 是InP OEIC 最理想的电子元件。HBT与MESFET

20、不同,它具有由一个叠层陈列的发射极、基极和集电极组成的垂直儿何外形构造。鉴于InP OEIC 光发射机构形和HBT 构造的各层衔接方式, 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 的集电极相衔接, 因此经过调理HBT 的发射极/基极电路的电流便可调理经过激光器的电流。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，见以下图。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，抗干扰才干强。抗扰性3，单个集成电路可以具有多种功能。例如，用于多路通讯的几个不同波长的光发射和接纳器件，有相关的信号处置功能。平行性4，光电集