1、光電集成的發展及前景摘要11引言12光電集成的分類23光電集成器件23.1 OEIC光發射機器件33.2 OEIC光接收機器件43.3光中繼器件54GaAsOEIC和InPOEIC55光電集成的優點及技術問題76光電集成的前景8參考文獻8光電集成的應用及前景摘要光電集成技術是繼微電子集成技術之后，近十幾年來迅速發展的高技術，已吸引了廣大人們關注。本論文主要是介紹光電集成電路的分類和光電集成的器件，簡要的分析了兩種材料的光電集成電路，并展望了未來廣電集成的應用前景。關鍵字：光電器件；光電集成；OEIC;AbstractPhotoelectricintegrationtechnologyisthe

2、rapiddevelopmentofhightechnologyafterthemicroelectronicsintegrationtechnology,nearlytenyears.Ithasattractedpeoplesattention.Thispaperintroducestheclassificationofoptoelectronicintegratedcircuit,andhasabrieflyanalysisoftwokindsofmaterialofphotoelectricintegratedcircuits,anddiscussesthefutureoftheappl

3、icationofphotoelectricintegrationtechnology1引言光電集成概念提出至今已有二十多年的歷史。把各種光子和電子元件集成在同一襯底上，除了要解決元件結構和工藝技術的兼容性外，還要選擇滿足兩種元件性能要求的材料。為了使不同材料互補，按要求進行優化組合，又發展出一種復合襯底材料，即利用異質外延技術，在一種襯底材料上外延另一種襯底材料薄膜，如在硅片上異質外延神化像單晶薄膜，在襯底的硅面制作電子元件，在神化鐵薄膜上制作光子元件。具優點是可以把硅的大規模集成電路技術與神化錢的光子元件技術結合，改善導熱性能，降低成本，提高集成度。除在硅面上異質外延神化錢外，還可在神化鐵

4、品片上異質外延磷化鈿單晶薄膜。利用復合襯底材料，已制出一批光、電子元件，以及光電集成的光發射機和光接收機。隨著光通信、光信息處理、光計算、光顯示等學科的發展，人們對具有體積小、重量輕、工作穩定可靠、低功耗、高速工作和高度平行性的光電子集成產生濃厚的興趣，加之材料科學和先進制造技術的進展使它在單一結構或單片襯底上集成光子器件和電子元件成為可能，并構成具有單一功能或多功能的光電子集成電路（OEIC）。簡言之，光電集成電路是完成光信息與電信息轉換的一種集成電路。2光電集成的分類光電電集成電路總體可分為兩類：一類是完成光信息到電信息轉換的電路，它由光電探測器、放大器及偏置電路組成。常見的接收器件有光電

5、晶體管、硅光電池等。OEIC 光接收機器件主要由探測器和電子放大電路（晶體管放大器）構成，將光信號經探測器轉換成電信號并經放大器放大處理后輸出。要獲得高靈敏度、高量子效率的 OEIC 光接收機，則要提高探測器和晶體管放大器的性能。對探測器的需求是：高速度、高靈敏度、高響應度、低噪聲、小電容、易集成；對放大器的需求是：高跨導、高互阻、高電流增益截止頻率和最大振蕩頻率。另一類是完成電信息到光信息轉換的電路，由光發射器件、驅動電路及偏置電路組成。常見的發射器件有發光管、激光管、液晶等。OEIC 光發射機器件是由激光二極管（LD）、發光管（LED）及驅動電路構成，一般有三種集成類型：光源和驅動電路的集

6、成；光源和探測器的集成；光源和驅動電路及探測器的集成。OEIC 光發射機器件研究的重點是高速率 LD 和驅動電路的集成。3光電集成器件OEIC 器件是利用光電子技術和微電子技術將光子器件和電子元件單片集成在同一襯底上的單片光電子集成電路器件，主要由 LD、發光二極管（LED）、光電二極管（PD）、調制器等光電子有源器件和光波導、耦合器、分裂器、光柵等無源器件，及各種場效應晶體管（FET） 、 異質結雙極晶體管（HBT） 、 高電子遷移率晶體管 （HEMT）驅動電路、放大器等電子元件構成，具集成方式是上述光電器件的部分組合或全部組合，通常采用垂直結構和二維水平結構等基本結構。垂直集成結構是分別設

7、計光和電子器件結構，將不同的光電器件以垂直塊形式一層挨一層地放置，光電器件的外延層是逐次外延生長的，并用絕緣層進行電隔離。這種疊層結構的特點是所有層都能在襯底上用一步或重復生長方法依次生長，并可實現三維集成功能。具好處是：電路簡單，生產和制作工藝簡單，通過將器件層堆疊提高了實際集成度。缺點是：設計靈活性差，不能實現高速工作，寄生電容大，不易獲得好的隔離和絕緣而使互連困難、平面性差所引起的非平面電互連困難、成品率低及不適合于大規模集成，所以較少采用。二維水平集成結構是將光器件和電器件水平排列于襯底上，采用一步生長的方法完成集成。該結構的特點是利用了光器件和電器件相同的晶體層一步生長完成集成。具好

8、處是：寄生電容小，成品率高。缺點是加工復雜，由于光器件厚度比電器件厚得多，易形成臺階，產生細小圖像較為困難。二維水平結構是 OEIC器件最感興趣的結構形式，他可將單元間的電容耦合降到最低，但由于工藝較為復雜，設計時往往要在分離器件性能方面進行折中處理。OEIC 器件主要包括 OEIC 光發射機器件、OEIC 光接收機器件和光中繼器件。OEIC光發射機器件OEIC 光發射機器件是由激光二極管（LD）、發光管（LED）及驅動電路構成，一般有三種集成類型：光源和驅動電路的集成；光源和探測器的集成；光源和驅動電路及探測器的集成。OEIC 光發射機器件研究的重點是高速率 LD 和驅動電路的集成。光發射機

9、器件對 LD 的需求是：低閾值、大功率、窄線寬、模式穩定、高特征溫度，并且便于集成。適合 OEIC 光發射機器件的激光器有以下兩種，隱埋異質結（BH）和法布里-珀羅（FP）腔條形激光器：其性能好，但閾值電流高可引起熱相關問題，并且解理或腐蝕的反射鏡面使制作工藝復雜化。分布反饋（DFB）和分布布喇格反射器（DBR）激光器：有低閾值電流（Ith）和量子阱增益結構，InP 基 LDIth10mA（1kA/cm2）,GaAs 基 LDIth1mA（200A/cm2）0量子阱（QW）LD 不僅有極低的 Ith,可望在 10 倍 Ith 下工作，更有高微分增益和高調制速率，是 OEIC 光發射器件的最佳光

10、源。驅動電路的作用是控制通過光源的電流和提供高速調制所需的電功率，有 FET、HBT 二種。FET 輸入阻抗高、功耗低、結構簡單，HBT 有較高的增益特性和較快的響應速度。在GaAs 短波長中多采用金屬-合金-半導體（MES）FET。在 InP 長波長中，一般采用金屬-絕緣體-半導體（MIS）FET 和調制摻雜（MOD）FET。20 世紀 90 年代以來，具有高互阻、 高跨導、 低噪聲的 HBT 和 HEMT 逐步代替各種 FET 成為主流，使 OEIC發射器件性能得到極大提高。特別是 HBT 消除了高柵泄漏電流，并且其垂直幾何形狀和高速性能非常適合高密度集成。自 OEIC 技術誕生以來，主要

11、致力于光發射機器件和光接收機器件的研究，但 OEIC 光發射機比光接收機的進展緩慢。目前，GaAs 基 OEIC 發射機已接近實用，InP 基 OEIC 發射機正在研究中。4.92ftm 波長的 GaInAsPOEIC 發射機 3dB 帶寬已達 6.6GHz,采用 HEMT的 OEIC 光發射機調制速率達 10Gb/s。OEIC光接收機器件OEIC 光接收機器件主要由探測器和電子放大電路（晶體管放大器）構成，將光信號經探測器轉換成電信號并經放大器放大處理后輸出。要獲得高靈敏度、高量子效率的 OEIC 光接收機，則要提高探測器和晶體管放大器的性能。對探測器的需求是：高速度、高靈敏度、高響應度、低

12、噪聲、小電容、易集成；對放大器的需求是：高跨導、高互阻、高電流增益截止頻率和最大振蕩頻率。探測器：有雪崩光電二極管（APD）和 PIN 光電二極管（PD）兩種。APD 雖有倍增作用，但因頻響限制，使用較少。使用最多的是低電容、低暗電流的 PINPD,但他和FET 集成較為困難。為適應高速率、寬頻帶響應的需求，PIN 有所改進。目前已制出具有高速能力的金屬-半導體-金屬（MSM）PD,其電容更低、工藝簡單，但暗電流稍大（10nA 以上）。更有一種多模波導結構（WG）PD,不僅具有大帶寬和高量子效率，而且易于和其他波導器件耦合及和光器件集成，因而倍受重視。晶體管：用作放大器的晶體管有 FET、HB

13、T、HEMT 等。大多采用 FET,但由于他本身的缺陷使接收機性能不高，和 PINPD 集成較困難。采用改進頻帶型 MODFET 雖增加了帶寬（最高達 18.5GHz）和靈敏度（最高達-19.5dBm）、減少了寄生，但仍難以滿足大容量、高速化通信的需要。HBT 具有高速、高電流驅動能力，更有高跨導和十分均勻的閾值，并可進行較高密度封裝。OEIC 光接收機的發展趨勢是高數字速率和寬頻帶響應。目前，最新的 OEIC 光接收機主要由 PINPD 和 MSMPD 和 HBT 和 HEMT 組成。 GaAs 基 PIN/HEMT 已獲得 36.5GHz帶 寬 ,40Gb/s 速 率 , 改 進 后 可

14、制 成 58GHz 帶 寬 的 毫 米 波 OEIC 光 接 收 機 。MSMPD/HEMTOEIC 光 接 收 機 的 最 大 帶 寬 達 38GHz 。 InGaAs/InPPIN 和InGaAs/InAlAs/InPHEMT 集成的 PINPD/HEMT 光接收機的速率達 4050Gb/s,頻帶寬達 40GHz,可望達 60GHz。若在輸入端加半導體光放大器和可調諧濾波器，可獲得高靈敏度（-18.5dBm）、高增益（0.7V/W）的 OEIC 光接收機。據預測，這種PINPD/HEMTOEIC 光接收機最佳化設計后速率可望達到 100Gb/s,截止頻率可望達到100GHz。多模 WGPD

15、 使邊入射型 OEIC 光接收機也獲重大突破，將 WGPD 和分布補償型 HEMT 放大器集成，獲得了 46.5GHz 和 52GHz 帶寬。光中繼器件OEIC 光中繼器是將光發射器件、光接收器件和放大電路器件集成在一起，兼有光發射、接收和放大功能。其特點是不必將光信號檢波后再放大，而是直接進行光放大。已獲得在 GaAs 襯底上制作的 PINPD/FET/BHLD 單片集成光中繼器， 其增益帶寬乘積為 178MHz。 OEIC 光中繼器的研究重點是 4.27ftm 的光-電-光 PIN/FET-FET/LD 單片集成。在 Si-InP 襯底上制作的 PIN/FET/LD 單片集成光中繼器中，光

16、接收和光放大功能由InGaAsPINPD/FET完成， 電光轉換功能由FET/LD完成。 目前正在研制多路OEIC光中繼器，已獲得 28Gb/s 速率和-15.5dBm 靈敏度。發展目標是將 LD、PD、光開關、光復用器/解復用器及幾種電子電路集成在一起，可實現 OEIC 波分復用（WDM）光中繼功能。4GaAsOEIC和InPOEIC最有代表性的神化錢（GaAs）OEIC 是光纖（FO）光發射機 OEIC,這類光發射機是在 GaAs 襯底上集成光有源器件(如激光二極管或發光二極管)和用做激光二極管的驅動電路。在 GaAs 襯底上集成一只 AlGaAs 隱埋異質結激光二極管(BHLD)和兩只金

17、屬-半導體場效應晶體管(MESFET)。兩只 MESFET 的作用是控制通過激光器的電流，其中一只提供維持激光器在閉值以上工作的偏流，另一只提供激光器直接調制輸出的調制電流。兩個電流獨立受控于 MESFET 柵壓。這種OEIC 設計是非平面的，這種結構的 OEIC 限制通過光刻可得到的最小特征尺寸，使電子線路的速度受限。因此這種 OEIC 光發射機的頻響限制在幾個 GHz 以下。要想獲得高速工作的 OEIC 光發射，應采用平面型結構，這時應該將生長激光器位置的溝道通過刻蝕工藝將其降至到襯底里面，使最終生長的激光器層的最上層高度大體與MESFET 頂層高度一致。迄今為止，實現高速工作的GsAsO

18、EIC 的工藝已成熟，并能滿足 CD-ROM 和第一代 FO 發射機的要求。InP 光電集成電路是具有 1.3 微米和 1.55 微米波長范圍輸出和接收的激光二極管和光電二極管通常是由在 InP 襯底上生長的窄帶隙四元化合物 GaAsP 和三元化合物InGaAs 所構成。遺憾的是，由這些材料構成的 MESFET 因較低的肖特基勢壘，造成高的柵泄漏電流。因此，InGaAsP/InP 的 OEIC 不宜使用 MESFET0異質結雙極晶體管(HBT)是 InPOEIC 最理想的電子元件。HBT 與 MESFET 不同,它具有由一個疊層排列的發射極、基極和集電極組成的垂直兒何形狀結構。鑒于 InPOE

19、IC 光發射機構形和HBT 結構的各層連接方式，由于跨接基極/發射極異質結產生一正向偏壓，而集電極/發射極異質結經受一反向偏壓。因此，當一小電流流經發射極/基極電路時，便在經基極的發射極/集電極電路中產生一相當大的電流。由于激光器與 OEIC 中的 HBT 的集電極相連接，因此通過調節 HBT 的發射極/基極電路的電流便可調節通過激光器的電流。松下的光發射器芯片由一個驅動電路和在 InP 層及 InGaAsP 層上的激光器組成，見下圖。asi松卜公用的光衰射思片的等效電第5光電集成的優點及技術問題光電集成的優點：1,光電集成電路具有較高的數字轉換速率。（高速性）2,抗干擾能力強。（抗擾性）3,單個集成電路可以具有多種功能。例如，用于多路通信的幾個不同波長的光發射和接收器件，有相關的信號處理功能。（平行性）4,光電集成電路芯片較小。5,光電集成電路比分立電路更可靠，性價比較高。光電集成