1、PAGE PAGE 10光電集成成的發展展及前景景 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc281300782 摘要1 HYPERLINK l _Toc281300783 1 引言言1 HYPERLINK l _Toc281300784 2 光電電集成的的分類 PAGEREF _Toc281300784 h 22 HYPERLINK l _Toc281300785 3 光電電集成器器件 PAGEREF _Toc281300785 h 2 HYPERLINK l _Toc281300786 3.1 OEIIC光發發射機器器件 PAGEREF _Toc281300786 h

2、 3 HYPERLINK l _Toc281300787 3.2 OEIIC光接接收機器器件 PAGEREF _Toc281300787 h 4 HYPERLINK l _Toc281300788 3.3 光中繼繼器件 PAGEREF _Toc281300788 h 55 HYPERLINK l _Toc281300789 4 GaaAs OEIIC和InPP OEEIC PAGEREF _Toc281300789 h 55 HYPERLINK l _Toc281300790 5 光電電集成的的優點及及技術問問題7 HYPERLINK l _Toc281300791 6 光電電集成的的前景88

3、 HYPERLINK l _Toc281300792 參考文獻獻 PAGEREF _Toc281300792 h 8光電集成成的應用用及前景景摘要光電集成成技術是是繼微電電子集成成技術之之后，近近十幾年年來迅速速發展的的高技術術，已吸吸引了廣廣大人們們關注。本論文文主要是是介紹光光電集成成電路的的分類和和光電集集成的器器件，簡簡要的分分析了兩兩種材料料的光電電集成電電路，并并展望了了未來廣廣電集成成的應用用前景。關鍵字：光電器器件；光光電集成成；OEEIC；AbsttracctPhottoellecttricc innteggrattionn teechnnoloogy is thee raa

4、pidd deevellopmmentt off hiigh tecchnoologgy aafteer tthe miccroeelecctrooniccs iinteegraatioon ttechhnollogyy, nnearrly tenn yeearss.Itt haas aattrractted peooplees atttenttionn. TThiss paaperr inntrooducces thee cllasssifiicattionn off opptoeelecctroonicc innteggratted cirrcuiit,anddhass abbrieefl

5、yy annalyysiss off twwo kkindds oof mmateeriaal oof pphottoellecttricc innteggratted cirrcuiits, annd ddisccussses thhe ffutuure of thee apppliicattionn off phhotooeleectrric inttegrratiion tecchnoologgy1引言光電集成成概念提提出至今今已有二二十多年年的歷史史。把各各種光子子和電子子元件集集成在同同一襯底底上，除除了要解解決元件件結構和和工藝技技術的兼兼容性外外，還要要選擇滿滿足兩種種元件性性能

6、要求求的材料料。為了了使不同同材料互互補，按按要求進進行優化化組合，又發展展出一種種復合襯襯底材料料，即利利用異質質外延技技術，在在一種襯襯底材料料上外延延另一種種襯底材材料薄膜膜，如在在硅片上上異質外外延砷化化鎵單晶晶薄膜，在襯底底的硅面面制作電電子元件件，在砷砷化鎵薄薄膜上制制作光子子元件。其優點點是可以以把硅的的大規模模集成電電路技術術與砷化化鎵的光光子元件件技術結結合，改改善導熱熱性能，降低成成本，提提高集成成度。除除在硅面面上異質質外延砷砷化鎵外外，還可可在砷化化鎵晶片片上異質質外延磷磷化銦單單晶薄膜膜。利用用復合襯襯底材料料，已制制出一批批光、電電子元件件，以及及光電集集成的光光發

7、射機機和光接接收機。隨著光光通信、光信息息處理、光計算算、光顯顯示等學學科的發發展， 人們對對具有體體積小、重量輕輕、工作作穩定可可靠、低低功耗、高速工工作和高高度平行行性的光光電子集集成產生生濃厚的的興趣，加之材材料科學學和先進進制造技技術的進進展使它它在單一一結構或或單片襯襯底上集集成光子子器件和和電子元元件成為為可能, 并構構成具有有單一功功能或多多功能的的光電子子集成電電路（OOEICC）。簡簡言之，光電集集成電路路是完成成光信息息與電信信息轉換換的一種種集成電電路。2 光電電集成的的分類光電電集集成電路路總體可可分為兩兩類：一類是完完成光信信息到電電信息轉轉換的電電路，它它由光電電探

8、測器器、放大大器及偏偏置電路路組成。常見的的接收器器件有光光電晶體體管、硅硅光電池池等。OOEICC光接收收機器件件主要由由探測器器和電子子放大電電路（晶晶體管放放大器）構成，將光信信號經探探測器轉轉換成電電信號并并經放大大器放大大處理后后輸出。要獲得得高靈敏敏度、高高量子效效率的OOEICC光接收收機,則則要提高高探測器器和晶體體管放大大器的性性能。對對探測器器的需求求是：高高速度、高靈敏敏度、高高響應度度、低噪噪聲、小小電容、易集成成；對放放大器的的需求是是：高跨跨導、高高互阻、高電流流增益截截止頻率率和最大大振蕩頻頻率。 另一類是是完成電電信息到到光信息息轉換的的電路，由光發發射器件件、

9、驅動動電路及及偏置電電路組成成。常見見的發射射器件有有發光管管、激光光管、液液晶等。OEIIC光發發射機器器件是由由激光二二極管（LD）、發光光管（LLED）及驅動動電路構構成,一一般有三三種集成成類型：光源和和驅動電電路的集集成；光光源和探探測器的的集成；光源和和驅動電電路及探探測器的的集成。OEIIC光發發射機器器件研究究的重點點是高速速率LDD和驅動動電路的的集成。3 光電電集成器器件OEICC器件是是利用光光電子技技術和微微電子技技術將光光子器件件和電子子元件單單片集成成在同一一襯底上上的單片片光電子子集成電電路器件件,主要要由LDD、發光光二極管管（LEED）、光電二二極管（PD）、

10、調制制器等光光電子有有源器件件和光波波導、耦耦合器、分裂器器、光柵柵等無源源器件，及各種種場效應應晶體管管（FEET）、異質結結雙極晶晶體管（HBTT）、高高電子遷遷移率晶晶體管（HEMMT）驅驅動電路路、放大大器等電電子元件件構成，其集成成方式是是上述光光電器件件的部分分組合或或全部組組合，通常采采用垂直直結構和和二維水水平結構構等基本本結構。垂直集集成結構構是分別別設計光光和電子子器件結結構，將將不同的的光電器器件以垂垂直塊形形式一層層挨一層層地放置置，光電電器件的的外延層層是逐次次外延生生長的，并用絕絕緣層進進行電隔隔離。這這種疊層層結構的的特點是是所有層層都能在在襯底上上用一步步或重復

11、復生長方方法依次次生長，并可實實現三維維集成功功能。其其好處是是：電路路簡單,生產和和制作工工藝簡單單，通過將將器件層層堆疊提提高了實實際集成成度。缺缺點是：設計靈靈活性差差,不能能實現高高速工作作，寄生電電容大,不易獲獲得好的的隔離和和絕緣而而使互連連困難、平面性性差所引引起的非非平面電電互連困困難、成成品率低低及不適適合于大大規模集集成，所所以較少少采用。二維水平平集成結結構是將將光器件件和電器器件水平平排列于于襯底上上，采用用一步生生長的方方法完成成集成。該結構構的特點點是利用用了光器器件和電電器件相相同的晶晶體層一一步生長長完成集集成。其其好處是是：寄生生電容小小,成品品率高。缺點是是

12、加工復復雜，由由于光器器件厚度度比電器器件厚得得多，易易形成臺臺階，產產生細小小圖像較較為困難難。二維維水平結結構是OOEICC器件最最感興趣趣的結構構形式，他可將將單元間間的電容容耦合降降到最低低，但由由于工藝藝較為復復雜，設設計時往往往要在在分離器器件性能能方面進進行折中中處理。OEICC器件主主要包括括OEIIC光發發射機器器件、OOEICC光接收收機器件件和光中中繼器件件。3.1 OEIIC光發發射機器器件OEICC光發射射機器件件是由激激光二極極管（LLD）、發光管管（LEED）及及驅動電電路構成成，一般有有三種集集成類型型：光源源和驅動動電路的的集成；光源和和探測器器的集成成；光源

13、源和驅動動電路及及探測器器的集成成。OEEIC光光發射機機器件研研究的重重點是高高速率LLD和驅驅動電路路的集成成。光發發射機器器件對LLD的需需求是：低閾值值、大功功率、窄窄線寬、模式穩穩定、高高特征溫溫度，并并且便于于集成。適合OOEICC光發射射機器件件的激光光器有以以下兩種種，隱埋異異質結（BH）和法布布里-珀珀羅（FFP）腔腔條形激激光器：其性能能好，但但閾值電電流高可可引起熱熱相關問問題，并并且解理理或腐蝕蝕的反射射鏡面使使制作工工藝復雜雜化。分分布反饋饋（DFFB）和和分布布布喇格反反射器（DBRR）激光光器：有有低閾值值電流（Ithh）和量量子阱增增益結構構，InnP基LLD

14、IIth10mmA（1kAA/cmm2），GaAAs基LLD IIth1mAA（2000A/ccm2）。量子子阱（QQW）LLD不僅僅有極低低的Itth，可可望在110倍IIth下下工作，更有高高微分增增益和高高調制速速率，是是OEIIC光發發射器件件的最佳佳光源。驅動電電路的作作用是控控制通過過光源的的電流和和提供高高速調制制所需的的電功率率,有FFET、HBTT二種。FETT輸入阻阻抗高、功耗低低、結構構簡單，HBTT有較高高的增益益特性和和較快的的響應速速度。在在GaAAs短波波長中多多采用金金屬-合合金-半半導體（MESS）FEET。在在InPP長波長長中，一一般采用用金屬-絕緣體體-

15、半導導體（MMIS）FETT和調制制摻雜（MODD）FEET。220世紀紀90年年代以來來，具有有高互阻阻、高跨跨導、低低噪聲的的HBTT和HEEMT逐逐步代替替各種FFET成成為主流流，使OOEICC發射器器件性能能得到極極大提高高。特別別是HBBT消除除了高柵柵泄漏電電流，并并且其垂垂直幾何何形狀和和高速性性能非常常適合高高密度集集成。自自OEIIC技術術誕生以以來，主主要致力力于光發發射機器器件和光光接收機機器件的的研究，但OEEIC光光發射機機比光接接收機的的進展緩緩慢。目目前，GGaAss基OEEIC發發射機已已接近實實用，IInP基基OEIIC發射射機正在在研究中中。4.92fft

16、m波波長的GGaInnAsPP OEEIC發發射機33dB帶帶寬已達達6.66GHzz，采用用HEMMT的OOEICC光發射射機調制制速率達達10GGb/ss。3.2 OEIIC光接接收機器器件OEICC光接收收機器件件主要由由探測器器和電子子放大電電路（晶晶體管放放大器）構成，將光信信號經探探測器轉轉換成電電信號并并經放大大器放大大處理后后輸出。要獲得得高靈敏敏度、高高量子效效率的OOEICC光接收收機,則則要提高高探測器器和晶體體管放大大器的性性能。對對探測器器的需求求是：高高速度、高靈敏敏度、高高響應度度、低噪噪聲、小小電容、易集成成；對放放大器的的需求是是：高跨跨導、高高互阻、高電流流

17、增益截截止頻率率和最大大振蕩頻頻率。探探測器：有雪崩崩光電二二極管（APDD）和PPIN光光電二極極管（PPD）兩兩種。AAPD雖雖有倍增增作用，但因頻頻響限制制，使用用較少。使用最最多的是是低電容容、低暗暗電流的的PINN PDD，但他他和FEET集成成較為困困難。為為適應高高速率、寬頻帶帶響應的的需求，PINN有所改改進。目目前已制制出具有有高速能能力的金金屬-半半導體-金屬（MSMM）PDD，其電電容更低低、工藝藝簡單，但暗電電流稍大大（100nA以以上）。更有一一種多模模波導結結構（WWG）PPD，不不僅具有有大帶寬寬和高量量子效率率，而且且易于和和其他波波導器件件耦合及及和光器器件集

18、成成，因而而倍受重重視。晶晶體管：用作放放大器的的晶體管管有FEET、HHBT、HEMMT等。大多采采用FEET，但但由于他他本身的的缺陷使使接收機機性能不不高，和和PINN PDD集成較較困難。采用改改進頻帶帶型MOODFEET雖增增加了帶帶寬（最最高達118.55GHzz）和靈靈敏度（最高達達-199.5ddBm）、減少少了寄生生，但仍仍難以滿滿足大容容量、高高速化通通信的需需要。HHBT具具有高速速、高電電流驅動動能力，更有高高跨導和和十分均均勻的閾閾值，并并可進行行較高密密度封裝裝。OEEIC光光接收機機的發展展趨勢是是高數字字速率和和寬頻帶帶響應。目前，最新的的OEIIC光接接收機主

19、主要由PPIN PD和和MSMM PDD和HBBT和HHEMTT組成。GaAAs基PPIN/HEMMT已獲獲得366.5 GHzz帶寬,40 Gb/s速率率,改進進后可制制成588 GHHz帶寬寬的毫米米波OEEIC光光接收機機。 MMSM PD/HEMMT OOEICC光接收收機的最最大帶寬寬達388 GHHz。IInGaaAs/ InnP PPIN和和 InnGaAAs/IInAllAs/InPP HEEMT 集成的的PINN PDD/HEEMT 光接收收機的速速率達440550Gbb/s，頻帶寬寬達400GHzz，可望望達600GHzz。若在在輸入端端加半導導體光放放大器和和可調諧諧濾波

20、器器，可獲獲得高靈靈敏度（-188.5ddBm）、高增增益（00.7VV/W）的OEEIC光光接收機機。據預預測，這這種PIIN PPD/HHEMTT OEEIC光光接收機機最佳化化設計后后速率可可望達到到1000 Gbb/s，截止頻頻率可望望達到1100GGHz。多模WWG PPD使邊邊入射型型OEIIC光接接收機也也獲重大大突破,將WGG PDD和分布布補償型型HEMMT放大大器集成成,獲得得了466.5 GHzz和522 GHHz帶寬寬。3.3 光中繼繼器件OEICC光中繼繼器是將將光發射射器件、光接收收器件和和放大電電路器件件集成在在一起，兼有光光發射、接收和和放大功功能。其其特點是是

21、不必將將光信號號檢波后后再放大大，而是是直接進進行光放放大。已已獲得在在GaAAs襯底底上制作作的PIIN PPD/FFET/BH LD單單片集成成光中繼繼器，其其增益帶帶寬乘積積為1778MHHz。OOEICC光中繼繼器的研研究重點點是4.27fftm的的光-電電-光PPIN/FETT-FEET/LLD單片片集成。在Sii-InnP襯底底上制作作的PIIN/FFET/LD單單片集成成光中繼繼器中，光接收收和光放放大功能能由InnGaAAs PPIN PD/FETT完成，電光轉轉換功能能由FEET/LLD完成成。目前前正在研研制多路路OEIIC光中中繼器，已獲得得28GGb/ss速率和和-15

22、5.5ddBm靈靈敏度。發展目目標是將將LD、PD、光開關關、光復復用器/解復用用器及幾幾種電子子電路集集成在一一起，可可實現OOEICC 波分分復用（WDMM）光中中繼功能能。4 GaaAs OEIIC和InPP OEEIC最有代表表性的砷砷化鎵( GaaAs) OEEIC是是光纖(FO)光發射射機OEEIC，這類光光發射機機是在GGaAss襯底上上集成光光有源器器件(如如激光二二極管或或發光二二極管) 和用用做激光光二極管管的驅動動電路。在GaaAs襯襯底上集集成一只只AlGGaAss 隱埋埋異質結結激光二二極管(BHLLD)和和兩只金金屬-半半導體場場效應晶晶體管(MESSFETT)。兩

23、兩只MEESFEET 的的作用是是控制通通過激光光器的電電流,其其中一只只提供維維持激光光器在閉閉值以上上工作的的偏流, 另一一只提供供激光器器直接調調制輸出出的調制制電流。兩個電電流獨立立受控于于MESSFETT柵壓。這種OOEICC 設計計是非平平面的, 這種種結構的的OEIIC 限限制通過過光刻可可得到的的最小特特征尺寸寸, 使使電子線線路的速速度受限限。因此此這種OOEICC 光發發射機的的頻響限限制在幾幾個GHHz 以以下。要要想獲得得高速工工作的OOEICC 光發發射, 應采用用平面型型結構,這時應應該將生生長激光光器位置置的溝道道通過刻刻蝕工藝藝將其降降至到襯襯底里面面,使最最終

24、生長長的激光光器層的的最上層層高度大大體與MMESFFET 頂層高高度一致致。迄今今為止, 實現現高速工工作的GGsAss OEEIC 的工藝藝已成熟熟, 并并能滿足足CD-ROMM 和第第一代FFO 發發射機的的要求。InP光光電集成成電路是是具有11.3微微米 和和1.555微米米波長范范圍輸出出和接收收的激光光二極管管和光電電二極管管通常是是由在IInP 襯底上上生長的的窄帶隙隙四元化化合物GGaAssP和三三元化合合物InnGaAAs所構構成。遺遺憾的是是, 由由這些材材料構成成的MEESFEET 因因較低的的肖特基基勢壘, 造成成高的柵柵泄漏電電流。因因此, InGGaAssP/II

25、nP 的OEEIC 不宜使使用MEESFEET。異異質結雙雙極晶體體管(HHBT) 是IInP OEIIC 最最理想的的電子元元件。HHBT與與MESSFETT不同,它具有有由一個個疊層排排列的發發射極、基極和和集電極極組成的的垂直兒兒何形狀狀結構。鑒于IInP OEIIC 光光發射機機構形和和HBTT 結構構的各層層連接方方式, 由于跨跨接基極極/ 發發射極異異質結產產生一正正向偏壓壓, 而而集電極極/ 發發射極異異質結經經受一反反向偏壓壓。因此此, 當當一小電電流流經經發射極極/ 基基極電路路時, 便在經經基極的的發射極極/ 集集電極電電路中產產生一相相當大的的電流。由于激激光器與與OEIIC 中中的HBBT 的的集電極極相連接接, 因因此通過過調節HHBT 的發射射極/基基極電路路的電流流便可調調節通過過激光器器的電流流。松下的的光發射射器芯片片由一個個驅動電電路和在在InPP層及IInGaaAsPP層上的的激光器器組成，見下圖圖。5 光電電集成的的優點及及技術問問題光電集成成的優點點：1，光電電集成電電路具有有較高的的數字轉轉換速率率。（高高速性）2，抗干干擾能力力強。（抗擾性性）3，單個個集成電電路可以以具有多多種功能能。例如如，用于于多路通通信的幾幾個不同同波長的的光發射射和接收收器件，有相關關的信號號處理功功能。（平行性性）4，光電電集成電電