光电子集成和光子集成器件

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1、光电子集成和光子集成器件～教育资源库　　信息产业部电子44所　张瑞君　　光电器件和光电子集成及光子集成（OEIC及PIC）是光电子技术的基础，也是整机性能优劣的标志，所以提高OEIC器件性能水平是发展光电子技术的关键。OEIC的概念于1971年首次提出，多年来一直是热门研究课题。70年代末，OEIC进展取得一系列重大突破，1978年，美国第一次成功研制出无腔面的适合于集成要求的DFB激光器，并将一个0.85　mGaAs激光二极管（LD）和一个GaAs耿氏二极管构成世界上第一个OEIC器件，同时发展了特别适合于异质选择外延生长各种优质光电子器件和高速电子器件的分子束外延（MBE）

2、生长技术，开创了以量子阱、超晶格结构为基础的新一代OEIC器件和的新时代。近年来，光通信系统的大容量、高速化又促进了OEIC的进一步发展。　　OEIC器件可分为光电子集成（OEIC）器件和光子集成（PIC）器件两大类。PIC是现代光电子学的一个重要分支，一门新兴科学。　　OEIC器件为系统集成，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，以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

3、管（HEMT）驱动电路、放大器等电子元件构成，其集成方式可以是上述光电器件的部分组合或全部组合。　　PIC是以光电子器件的功能组合集成为主，将光电子器件制备在一个基片上，以实现提高速度、压缩线宽、扩展响应等功能。　　值得一提的是新发展的一种器件Si基混合集成器件。它是将OEIC和PIC融合在一起，即将光有源器件、光无源波导网络和电学布线都集成制作在一个Si基片上的SiO2基平面回路（PLC）光电电路板上，以获得低成本、实用、多功能的器件。这种混合集成器件在光通信和光计算中有很大的应用潜力。　　OEIC器件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

4、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。其优点是：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：设计灵活性差,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

5、成集成。其优点是：寄生电容小,成品率高。缺点是加工复杂，由于光器件厚度有5　10　m，比电器件厚得多，易形成台阶，产生细小图形较为困难。　　二维水平结构是OEIC器件最感兴趣的结构形式，它可将单元间的电容耦合降到最低，但由于工艺较为复杂，设计时往往要在分离器件性能方面进行折衷处理。　　1.OEIC器件　　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。　　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,一般有三种集成类型：光源与驱动电路的集成；光源与探测器的集成；光源与驱动电路及探测器的集成。OEI

6、C光发射机器件研究的重点是高速率LD与驱动电路的集成。　　光发射机器件对LD的要求是：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）和量子阱增益结构，InP基LDIth<10mA（　1kA/cm2），GaAs基LDIth<1mA（　<200A/cm2）。量子阱（QES）FET。在InP长

7、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、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，并且其垂直几何形状和高速性能很适合高密度集成。　　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。目前，GaAs基OEIC发射机已接近实用，InP基OEIC发射机正在研究中。1.5　m波长的Ga