【ch10】半导体光电子器件集成

半导体光电子器件集成第十章半导体光电子学

01概述

1947年12月6日，美国贝尔实验室的巴丁(JohnBardeen)等人研究出世界上第一个点接触晶体管，并证明了其对电信号的放大。在此基础上研究出的npn双极晶体管更具实用价值。1952年英国皇家雷达研究所的渡墨(Dummer.GW.A)在美国工程师协会第二次会议上提出：“可以想象，随着晶体管和一般半导体工业的发展，可以在由绝缘体、导体、整流、放大等材料层构成的固体层上实现电子设备。”

以后出现的单极型场效应晶体管和进一步开发的金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)更使集成电路在集成度、功耗、尺寸和速率等方面不断更新换代。至今仍沿用1965年仙童公司所总结的集成度每年翻一番的所谓摩尔(Moore)定律和1974年IBM公司的丹纳德(R.H.Dannand)所总结的规律：MOS晶体管相关尺寸(特征尺寸)缩小K²倍则速度可提高K倍，功耗降低K²倍。1.1集成电路的启示

1.2PIC和OEIC出现的逻辑推理稍做归纳就不难发现，电子与光子是一对在性质上具有明显并行性和互补性的微观粒子[川。并行性表现在它们具有一些相似的或相互对应的一些特点，如表10.1-1所示。例如，电子与光子都是兼有波动性与粒子性的微观粒子；电子与光子分别服从费米-狄拉克统计分布和玻色-爱因斯坦统计分布；电子有两个相反的自旋方向，而光子有两个相互正交的偏振方向；电子在半导体晶体的周期场中作公有化运动形成能带和带隙关于这种并行性的例子不一一列举。电子与光子的互补性表现在它们之间可以相互转换，在光发射器件中表现为电子转变为光子，而在光探测器中光子又可转变为电子；在光纤通信系统中传输容量的提高是在电时分复用(ETDM)的基础上优势互补地采用多种光的复用(如光波分复用、光时分复用、光偏振复用)来实现的，等等。1.3PIC和OEIC的发展

1968年夏伯(Shubert)和哈里斯(Harris)提出利用薄膜上的光学表面制作集成的数据处理器的设想。类似于现在的声表面波器件或表面等离子波器件那样，通过薄膜波导产生器件和模块功能。薄膜波导已被证明是PIC或OEIC的基本结构形式。

1969年美国贝尔实验室的米勒(S.E.Miller)明确提出“集成光学”的概念[3],其意指通过光刻技术，将激光器、调制器和其他相关光学器件构建一个复杂但小型化的光学回路，从而有利于隔离热、机械和声等环境因素的影响，同时也实现低成本。1.3PIC和OEIC的发展

很显然，米勒所提出的集成光学概念隐含了借助半导体集成电路中通过光刻和对材料处理形成所需器件和它们之间的连接的平面工艺，也和集成电路一样实现低成本、低功耗和高可靠的集成功能组件。更具体地说，集成光学器件和它们之间的连接应为平面波导型。

在20世纪70年代初，美国亚里夫(A.Yariv)提出有源集成光学(ActiveIntegratedOptics),并对所用的材料提出了要求，诸如在可见光到近红外波段要有好的透明性和光学质量，易于与电子电路形成接口；所用材料能产生光子或能对光子探测；材料要有好的电-光和光弹特性以便能对光子产生调制和开关功能；材料应适合加工成薄膜波导，并指出GaAs和相关的半导体合金材料如Ga1-AlAs和GaAs₁-P是可选用的材料4。1.4应用需求对PIC和OEIC的强力拉动

作为整个信息网络核心的光纤通信网络，其骨干网传输容量几乎每10年增加1000倍，目前正在由Tb/s向Pb/s量级发展。这是基于微电子集成的电时分复用(ETDM)和光波分复用(WDM)(也可理解为数量众多的不同波长在同一石英光纤内的功能集成)以及正在开发的光时分复用(OTDM)和光偏振复用(PDM)共同作用的结果。

长期以来，信息网络重要组成部分的节点上的信息交换一直是由基于微电子学的光-电-光方式的交换或电子路由器来承担，并为此作出了重大贡献。然而，随着骨干网传输容量的不断增加，网络节点的交换容量却日益失配于传输容量，如图10.1-2所示。况且，随着电子路由器容量的增加，其功耗、体积等方面都达到了难以容忍的程度。02发展PIC和OEIC的困难与启示2.1制约PIC和OEIC发展的因素

相比集成电路，PIC或OEIC的进展缓慢得多。以集成度或单个芯片上集成器件数量而言，电子集成的集成度仍在依摩尔定律发展，现在是1年半到2年翻一番。Intel公司的SRAM的集成度已达20亿个晶体管集成/芯片，而与2009年美国加州大学SantaBarbara分校所研制出令人振奋的单片集成光路由器集成了200多个功能器件相比，其集成度竟相差107。

2.1制约PIC和OEIC发展的因素

集成电路单元所含电子元件种类较少(如电阻、电容、CMOS晶体管、隔离二极管等),而一个光子功能块中需包含光子功能器件的品种要多得多，以上述光子路由器为例，含有光延时线、光衰减器、不同性能的光放大器、相移器、激光器、列阵波导光栅、光波导等。在其他一些应用中还可能包括光隔离器、光环行器、光分扦复用器、波分复用/解复用器、光探测器、光开关，等等

不像集成电路那样能在硅基上完成所有器件功能，光子集成中不同的光子器件往往

是基于不同的原理和不同的材料，以不同的加工工艺来实现的；即使是同一种功能器件也同

样可用不同材料、不同工艺来实现。以光开关为例，有机械光开关和MEMS

开关、热光开关、

电光开关、磁光开关、声光开关等；甚至某一光学器件中又含有一些光学元件。以光隔离器

为例，其内含有光学非互易性的旋光材料、波片、分光晶体和耦合光纤等。2.1制约PIC和OEIC发展的因素

不像集成电路那样能采用平面工艺，通过光刻对半导体不同部位进行处理就能实现不同器件并最终实现一个完整的电路功能。而如上所述，目前光子器件往往难以用平面工艺通过对材料的处理完成一个或多个器件功能。以最简单的半导体激光器与电吸收调制器的单片集成为例，由于半导体激光器的有源区与电吸收调制器的光吸收区的结构和材料组分不同，不能用完全相同的外延工艺来实现。

集成电路中各器件的内部连接可通高浓度杂质扩散形成低阻电流通道，而光子集成中各器件的内部连接要用平面光波导，它是由高折射率材料层和上/下低折射率层组成的。光波导与所要对接的器件的作用区之间需折射率匹配，以防菲涅耳反射损耗；而且这种互连光波导不能像集成电路内部电路那样可呈直角布线，互连光波导只能呈“S”形(即意只能平滑过渡)否则将造成光的辐射损耗。2.1制约PIC和OEIC发展的因素

集成电路与外电路是直接以金丝键合，而在PIC中与外部光波导(如光纤)之间是依靠模场匹配耦合的。“键合”与“耦合”这一字之差，所产生的损耗却差别甚大。金属的直接键合产生的接触电阻可忽略不计，而不同形状和不同折射率分布的光波导之间的模场耦合损耗却可能高达数dB。

2.2发展PIC和OEIC的某些启示为了规模化集成光子器件，必须依靠以光刻技术为核心的平面工艺。唯有平面工艺才有可能在同一衬底的不同区域形成不同的器件功能或形成同一器件的列阵。微电子学中主要依靠所需掺杂向衬底内不同区域扩散形成不同器件或互连电学通道；光子器件则一般通过在衬底表面向上多层外延来实现器件功能。外延也是一种平面工艺。因此那些已有而非平面工艺得到的分立光子器件除非进行平面工艺改造，否则是难以集成的。实际表明，半导体材料是最适合实施平面工艺加工成光子集成回路的。这既是CMOS集成电路的成功之处，也为一些光子集成范例所证实9。这就需要不同功能器件有基本相同或相近的材料；有能兼容的材料生长工艺，通过掩模实施选择区域生长(SAG)以形成不同器件功能，通过互连光波导、光栅耦合等方法进行各器件间的互连实现一个预定功能的光子集成回路。

2.2发展PIC和OEIC的某些启示对上述思考的进一步说明，以在光纤通信光发射中有主要作用、基于多量子阱的DFB半导体激光器与电吸收调制器单片集成为例9,10],这两种器件都能在InP

衬底上生长多量子阱实现各自的高性能，但两者基于的原理不一。基于受激发射原理的激光器的发射波长主要由有源材料的带隙和器件结构确定，而电吸收(EA)调制器是利用吸收来自激光器的光子，在反向偏置量子阱材料中所产生较强的量子限制斯塔克效应来调制外来光信号。激光器和EA调制器分别用晶格匹配和张应变InGaAs/InGaAsPMQW,激光器阱层厚度为5nm(荧光波长为1.55μm),EA区阱层厚6.5nm(荧光波长为1.5μm)。图中在激光器有源区和调制器吸收区两侧均用Fe:InP半绝缘电流阻挡层限制电流侧向扩展。两个区的多量子阱的平滑过渡保证了两个器件之间近100%的耦合效率。2.2发展PIC和OEIC的某些启示

2.2发展PIC和OEIC的某些启示还可列举一些其他基于半导体光子集成的实例，诸如图10.2-3所示的单片集成21个波长的多波长激光器模块9、如第7章图7.3-7中提到的由两个SOA组成的马赫-曾德干涉仪(MZI)]用做全光信号再生(MZI也可用做交叉相位调制的波长变换)、如图10.2-4所示的宽带波长选择激光器(其中单片集成有增益段、可调谐DBR腔镜、SOA、探测器和调制器等功能元件，可用来调谐出信道间隔为50GHz的20个波长)。需特别指出的是，可调谐半导体激光器本身是由多个功能元(器)件的单片集成。近年来可调谐半导体激光器在结构和性能上都有大的提高。目前波长调谐范围可达35nm左右，这意味着同一种激光器通过调谐可给波长间隔为0.8nm的40个不同波长的波分复用(WDM)系统提供光源，这无疑能减少激光器的备份或库存，这对降低成本和提高系统可靠性保障都是有利的。2.2发展PIC和OEIC的某些启示

2.2发展PIC和OEIC的某些启示

03几种常用的光子集成手段

3.1对接再生长在对接再生长(Butt-jointregrowth,BGR)中，为了将器件A和器件B集成，需要依次经过如图10.3-1所示的工艺步骤[12]。(a)首先，外延生长器件A的有源区以及包层结构在内的基本结构；(b)在特定的区域选择刻蚀，去掉某些层次结构为器件B的生长腾出位置；(c)在刻蚀掉的地方，外延生长器件B的基本结构，它与器件A对接在一起；(d)再次外延生长剩下的其他结构，比如波导层和欧姆接触层等。3.1对接再生长

3.2选区外延生长选区外延生长(Selectiveareagrowth,SAG)是指仅在半导体表面的特定局部区域外延生长某些器件，通常是在衬底、外延片等基片上制作带有特定图形的SiO₂或者Si₁N,等介质掩膜层，在掩膜层上刻蚀制作窗口，然后利用金属有机化合物气相淀积(MOCVD)设备进行外延生长。如图10.3.2所示[12],掩膜之间的开口称为窗口，它实际上就是外延生长能够进行的区域；而在有介质掩膜覆盖的地方，材料的沉积生长无法进行，扩散到此的原子会有一部分迁移扩散到开口区域中淀积下来，从而使得开口区域的生长速率得到加强。生长速率加强因子与掩膜宽度、开口宽度以及工艺参数等有关系，另外，化合物材料中不同元素的生长速率加强因子也有所不同。因此，在基片不同部位设计不同的掩膜宽度或者开口宽度，就可以在不同区域生图10.3-2选区外延生长中长出厚度、组分不同的材料以构成不同器件的基本结构，从而的掩膜和开口[12]实现多个器件的单片集成。

3.3量子阱混合量子阱混合(Quantum-wellintermixing,QWI)技术，也称为量子阱无序技术，它作为一种后生长工艺手段，利用异质结面之间组分梯度的亚稳性质，能够简单有效地调控QW的带隙使之发生蓝移。其原理如下：由于量子阱中的阱区和垒区采用不同的材料，在异质结两边存在着原子浓度的差异，也即是存在元素组分梯度。适当的外部条件诱导(比如高温退火、离子注入、辐照等手段)可以加速原子的互扩散或自扩散，从而改变材料的性质，特别是禁带宽度(带隙)。与其他集成技术相比，QWI具有简单、低成本的优点，不需要采用多次光刻、湿法以及干法腐蚀、多次选择外延生长等复杂工艺，不存在衔接部位的晶体质量欠佳和器件间的耦合效率低下的问题。3.3量子阱混合

04推动PIC发展的可能技术方案

4.1微环谐振腔光环形谐振腔最早是由Marcatili在1969年提出来的6,20世纪90年代初，随着半导体集成工艺的发展和成熟，人们认识到它极有希望成为大规模光子集成的基石叨。基本的微环谐振腔由微环和与其耦合的直波导构成。图10.4-1(a)和(b)分别给出了全通型和上下载型微环谐振腔的基本结构[18]。微环谐振腔可以想象为将通常的法布里-珀洛(F-P)谐振腔的正向和反向传输路径分开而形成的。这时要满足相长干涉的条件，光子绕环一周的光程必须为光波长的整数倍，即式中，Lr为微环的有效长度，元m为微环波导的有效折射率，m为谐振模式的阶数，A.为谐振波长。可见微环谐振腔与FP腔在原理上非常类似。但是，在微环谐振腔中传输的是行波场而不是驻波场，这是与普通FP腔不同的地方。

4.1微环谐振腔微环还需要有与其相耦合的波导以便使输入信号耦合进微环，或者将微环输出的信号耦合出来。图10.4-1(a)的全通型微环由一根输入/输出直波导和一个微环构成。耦合区实际上是一个2×2的方向耦合器，因此直波导中的输入光波被分为两部分，一部分直接通过直波导输出，另一部分耦合进微环，在绕环一周后经过耦合区时再次发生耦合。满足式(10.4-1)谐振条件的光波产生相长干涉输出，并且由于经过了微环的传输，相对输入光波有一定的延时；而远离谐振条件的光波则不经过微环直接由直波导输出。图10.4-1(b)的上下载型微环，相比于全通型微环多了一根耦合的直波导，如果输入光波的波长满足微环的谐振条件，则微环中的光强度较强，因此部分光能量可以通过下载端口输出；而对于远离谐振条件的光波，则直接从输出端口输出；上载端口输入的满足谐振条件的光波也可以从输出端口输出。

4.1微环谐振腔硅基微环的制作工艺能很好地与微电子的CMOS平面工艺兼容，这正是PIC或OEIC的基本要求之一。依据微环与直波导的位置，微环谐振器具有两种最典型的基本结构：直波导与微环在同一平面的侧向耦合结构和直波导在微环平面的上下方的垂直耦合结构。其中侧向结构在工艺上要求有很高的刻蚀技术来控制直波导与微环之间的间距，而垂直结构在工艺上实现相对来说较简单，可利用薄膜沉积技术很好地控制间距。基于微环谐振腔的多通道滤波特性可以实现对光信号频谱的处理，从而实现特定的功能，显示出超快的工作速度、多样化的功能，以及强大的多信道并行处理能力，例如，640Gb/s的OTDM信号的产生26;基于微环加载MZI结构的波长和带宽均可调谐的滤波器[27];8通道的上下路滤波28;高阶光子微分器；可加载、可擦除的光子积分器50;50Gb/s的多信道同时RZ→NRZ的码型转换31]等。4.2光子晶体

自从量子力学的出现和物质波的存在被证实依赖，人们常常借鉴光学和电磁学的概念和理论方法去解释固体物体中的一些现象，而20世纪80年代初提出的光子晶体则反其道而行之，用固体物理的概念和理论方法去解释光学和电磁学中的问题。正如电子晶体的周期性结构决定了电子的能带和导电性一样，光学材料波长量级的周期性变化成为控制光子能量和通量的有效手段。

电子波(电子)与电磁波(光子)的相似性，是描述电子波的薛定谔方程和描述电磁波的麦克斯韦方程在形式上的相似性所决定的。相对介电常数为e,的无损介质中时谐电磁场的波动方程与势场V中质量为m的电子满足的薛定谔方程可以分别表示为：4.2光子晶体

其中，E(r)和y(r)分别为电场和电子的波函数。若不考虑粒子的自旋，式(10.4-11)和式(10.4-12)在形式上是类似的。光子是玻色子而电子是费米子，二者自旋的不同使得它们具有不同的能态统计分布，同时也造成了上述两个方程中光子的方程是矢量方程而电子的方程是标量方程。通过二者形式上的比较，可以发现相对介电常数e,(即折射率n的平方)对光子的作用，类似于势能函数V对电子的作用。

既然半导体中晶格的周期势使得作为电子晶体的半导体具有能带和带隙，那么从直观上不难理解，E,或者说折射率的周期性变化将造成光子能带和光子带隙，而在光子带隙(对应于特定频率范围)中，无论具有怎样的传播方向和偏振方向的光波都是不能在这种周期性结构中存在的。4.2光子晶体

形成光子晶体的灵活性。光子晶体不拘于某种衬底材料，可形成结构多样的一维、二维和三维光子晶体，能实现广泛的光学功能(有源、无源器件)。例如，在二维光子晶体中除了通过引入线缺陷来形成波导、耦合器、分光器等波导器件外，还可以通过引入点缺陷形成光学谐振腔，从而实现滤波、波分复用、上下路复用等功能；通过在光子晶体微腔中引入有源材料还可以构建光子晶体激光器、放大器等。

PIC中一直困扰人们的一个问题是，普通介质波导不能很好地解决光路弯折和不同横向尺寸的波导器件之间连接的问题，波导的弯曲角度不能过大，也不能有波导尺寸的突变，即需要“平滑的过渡”,否则就会产生较大的散射损耗，而光子晶体波导恰可以解决这一问题37。光子晶体波导是基于光子带隙而非通常的全反射原理，因此只要光场能完全地局域在光子晶体波导内，就可以制作出直角乃至锐角的弯曲波导、大角度的Y分支，以及实现横向尺寸相差很大的波导器件之间的互联。

4.2光子晶体光子晶体的材料和结构与半导体平面工艺兼容，这也是前面一再强调的光子集成的基本要求之一；不仅如此，光波导、耦合器、滤波器、波分复用器、谐振腔，甚至反射镜、色散元件等不同功能器件都可在光子晶体上一次性制作出来。尽管从概念到现实还会有许多理论和技术上的困难待解决，但光子晶体能人为“魔方”式地改变晶体结构或“积木”式地搭建由不同功能器件组成的光学系统，体现出比电子晶体更大的灵活性。

4.3表面等离子体激元等离子(Plasma)被称为物质第四态，其中正电荷悬浮在周围高浓度的自由电子气(也称自由电子云或自由电子海)中，已无法区分某一正电荷与电子气中某一电子之间的隶属关系。在自由电子气中，由于外界的扰动，电子将会发生偏离其平衡位置运动，由此产生的电子集体振荡的量子化就是等离子体(Plasmon)。这种外界扰动可以是外界电磁场，在电磁场激励下金属产生表面感应电荷振荡，等效于一个振荡的表面电流，由此感生的磁场又激发电场，从而循环往复地产生可持续的电磁振荡，即表面等离子激元(SurfacePlasmonPolariton,SPP)波。1968年，AndreasOtto提出一种Otto结构，利用衰减全反射的方法在金属表面激发出SPP波[42]。随后，Kretschmann对Otto结构进行了优化，提出了Kretschmann

结构[43],这两种结构成为激发SPP的主要方法之一，至今仍被研究