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摘要 光電集成技術(shù)是繼微電子集成技術(shù)之后，近十幾年來迅速發(fā)展的高技術(shù)，已吸引了廣大人們關(guān)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(yīng)用前景。 1 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(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)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(bǔ)，按要求進(jìn)行優(yōu)化組合，又發(fā)展出一種復(fù)合襯底材料，即利用異質(zhì)外延技術(shù)，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(zhì)外延砷化鎵單晶薄膜，在襯底的硅面制作電子元件，在砷化鎵薄膜上制作光子元件。其優(yōu)點(diǎn)是可以把硅的大規(guī)模集成電路技術(shù)與砷化鎵的光子元件技術(shù)結(jié)合，改善導(dǎo)熱性能，降低成本，提高集成度。除在硅面上異質(zhì)外延砷化鎵外，還可在砷化鎵晶片上異質(zhì)外延磷化銦單晶薄膜。利用復(fù)合襯底材料，已制出一批光、電子元件，以及光電集成的光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)。隨著光通信、光信息處理、光計(jì)算、光顯示等學(xué)科的發(fā)展， 人們對(duì)具有體積小、重量輕、工作穩(wěn)定可靠、低功耗、高速工作和高度平行性的光電子集成產(chǎn)生濃厚的興趣，加之材料科學(xué)和先進(jìn)制造技術(shù)的進(jìn)展使它在單一結(jié)構(gòu)或單片襯底上集成光子器件和電子元件成為可能, 并構(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換的電路，它由光電探測(cè)器、放大器及偏置電路組成。常見的接收器件有光電晶體管、硅光電池等。OEIC光接收機(jī)器件主要由探測(cè)器和電子放大電路（晶體管放大器）構(gòu)成，將光信號(hào)經(jīng)探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并經(jīng)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(jī),則要提高探測(cè)器和晶體管放大器的性能。對(duì)探測(cè)器的需求是：高速度、高靈敏度、高響應(yīng)度、低噪聲、小電容、易集成；對(duì)放大器的需求是：高跨導(dǎo)、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(zhuǎn)換的電路，由光發(fā)射器件、驅(qū)動(dòng)電路及偏置電路組成。常見的發(fā)射器件有發(fā)光管、激光管、液晶等。OEIC光發(fā)射機(jī)器件是由激光二極管（LD）、發(fā)光管（LED）及驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成,一般有三種集成類型：光源和驅(qū)動(dòng)電路的集成；光源和探測(cè)器的集成；光源和驅(qū)動(dòng)電路及探測(cè)器的集成。OEIC光發(fā)射機(jī)器件研究的重點(diǎn)是高速率LD和驅(qū)動(dòng)電路的集成。
3 光電集成器件OEIC器件是利用光電子技術(shù)和微電子技術(shù)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(fā)光二極管（LED）、光電二極管（PD）、調(diào)制器等光電子有源器件和光波導(dǎo)、耦合器、分裂器、光柵等無源器件，及各種場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）、高電子遷移率晶體管（HEMT）驅(qū)動(dòng)電路、放大器等電子元件構(gòu)成，其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(jié)構(gòu)和二維水平結(jié)構(gòu)等基本結(jié)構(gòu)。 垂直集成結(jié)構(gòu)是分別設(shè)計(jì)光和電子器件結(jié)構(gòu)，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(jìn)行電隔離。這種疊層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是所有層都能在襯底上用一步或重復(fù)生長方法依次生長，并可實(shí)現(xiàn)三維集成功能。其好處是：電路簡單,生產(chǎn)和制作工藝簡單，通過將器件層堆疊提高了實(shí)際集成度。缺點(diǎn)是：設(shè)計(jì)靈活性差,不能實(shí)現(xiàn)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(guī)模集成，所以較少采用。 二維水平集成結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的特點(diǎn)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。其好處是：寄生電容小,成品率高。缺點(diǎn)是加工復(fù)雜，由于光器件厚度比電器件厚得多，易形成臺(tái)階，產(chǎn)生細(xì)小圖像較為困難。二維水平結(jié)構(gòu)是OEIC器件最感興趣的結(jié)構(gòu)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(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)往往要在分離器件性能方面進(jìn)行折中處理。 OEIC器件主要包括OEIC光發(fā)射機(jī)器件、OEIC光接收機(jī)器件和光中繼器件。 3.1 OEIC光發(fā)射機(jī)器件OEIC光發(fā)射機(jī)器件是由激光二極管（LD）、發(fā)光管（LED）及驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，一般有三種集成類型：光源和驅(qū)動(dòng)電路的集成；光源和探測(cè)器的集成；光源和驅(qū)動(dòng)電路及探測(cè)器的集成。OEIC光發(fā)射機(jī)器件研究的重點(diǎn)是高速率LD和驅(qū)動(dòng)電路的集成。光發(fā)射機(jī)器件對(duì)LD的需求是：低閾值、大功率、窄線寬、模式穩(wěn)定、高特征溫度，并且便于集成。適合OEIC光發(fā)射機(jī)器件的激光器有以下兩種，隱埋異質(zhì)結(jié)（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(guān)問題，并且解理或腐蝕的反射鏡面使制作工藝復(fù)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(jié)構(gòu)，InP基LD Ith<10mA（ 1kA/cm2），GaAs基LD Ith<1mA（ <200A/cm2）。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(diào)制速率，是OEIC光發(fā)射器件的最佳光源。驅(qū)動(dòng)電路的作用是控制通過光源的電流和提供高速調(diào)制所需的電功率,有FET、HBT二種。FET輸入阻抗高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單，HBT有較高的增益特性和較快的響應(yīng)速度。在GaAs短波長中多采用金屬-合金-半導(dǎo)體（MES）FET。在InP長波長中，一般采用金屬-絕緣體-半導(dǎo)體（MIS）FET和調(diào)制摻雜（MOD）FET。20世紀(jì)90年代以來，具有高互阻、高跨導(dǎo)、低噪聲的HBT和HEMT逐步代替各種FET成為主流，使OEIC發(fā)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(shù)誕生以來，主要致力于光發(fā)射機(jī)器件和光接收機(jī)器件的研究，但OEIC光發(fā)射機(jī)比光接收機(jī)的進(jìn)展緩慢。目前，GaAs基OEIC發(fā)射機(jī)已接近實(shí)用，InP基OEIC發(fā)射機(jī)正在研究中。4.92ftm波長的GaInAsP OEIC發(fā)射機(jī)3dB帶寬已達(dá)6.6GHz，采用HEMT的OEIC光發(fā)射機(jī)調(diào)制速率達(dá)10Gb/s。 3.2 OEIC光接收機(jī)器件OEIC光接收機(jī)器件主要由探測(cè)器和電子放大電路（晶體管放大器）構(gòu)成，將光信號(hào)經(jīng)探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并經(jīng)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(jī),則要提高探測(cè)器和晶體管放大器的性能。對(duì)探測(cè)器的需求是：高速度、高靈敏度、高響應(yīng)度、低噪聲、小電容、易集成；對(duì)放大器的需求是：高跨導(dǎo)、高互阻、高電流增益截止頻率和最大振蕩頻率。探測(cè)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PIN PD，但他和FET集成較為困難。為適應(yīng)高速率、寬頻帶響應(yīng)的需求，PIN有所改進(jìn)。目前已制出具有高速能力的金屬-半導(dǎo)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(dǎo)結(jié)構(gòu)（WG）PD，不僅具有大帶寬和高量子效率，而且易于和其他波導(dǎo)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、HBT、HEMT等。大多采用FET，但由于他本身的缺陷使接收機(jī)性能不高，和PIN PD集成較困難。采用改進(jìn)頻帶型MODFET雖增加了帶寬（最高達(dá)18.5GHz）和靈敏度（最高達(dá)-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(qū)動(dòng)能力，更有高跨導(dǎo)和十分均勻的閾值，并可進(jìn)行較高密度封裝。OEIC光接收機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是高數(shù)字速率和寬頻帶響應(yīng)。目前，最新的OEIC光接收機(jī)主要由PIN PD和MSM PD和HBT和HEMT組成。GaAs基PIN/HEMT已獲得36.5 GHz帶寬,40 Gb/s速率,改進(jìn)后可制成58 GHz帶寬的毫米波OEIC光接收機(jī)。 MSM PD/HEMT OEIC光接收機(jī)的最大帶寬達(dá)38 GHz。InGaAs/ InP PIN和 InGaAs/InAlAs/InP HEMT 集成的PIN PD/HEMT 光接收機(jī)的速率達(dá)40～50Gb/s，頻帶寬達(dá)40GHz，可望達(dá)60GHz。若在輸入端加半導(dǎo)體光放大器和可調(diào)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(jī)。據(jù)預(yù)測(cè)，這種PIN PD/HEMT OEIC光接收機(jī)最佳化設(shè)計(jì)后速率可望達(dá)到100 Gb/s，截止頻率可望達(dá)到100GHz。多模WG PD使邊入射型OEIC光接收機(jī)也獲重大突破,將WG PD和分布補(bǔ)償型HEMT放大器集成,獲得了46.5 GHz和52 GHz帶寬。 3.3 光中繼器件OEIC光中繼器是將光發(fā)射器件、光接收器件和放大電路器件集成在一起，兼有光發(fā)射、接收和放大功能。其特點(diǎn)是不必將光信號(hào)檢波后再放大，而是直接進(jìn)行光放大。已獲得在GaAs襯底上制作的PIN PD/FET/BH LD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(diǎn)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，光接收和光放大功能由InGaAs PIN PD/FET完成，電光轉(zhuǎn)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(fā)展目標(biāo)是將LD、PD、光開關(guān)、光復(fù)用器/解復(fù)用器及幾種電子電路集成在一起，可實(shí)現(xiàn)OEIC 波分復(fù)用（WDM）光中繼功能。 4 GaAs OEIC和InP OEIC最有代表性的砷化鎵( GaAs) OEIC是光纖(FO)光發(fā)射機(jī)OEIC，這類光發(fā)射機(jī)是在GaAs襯底上集成光有源器件(如激光二極管或發(fā)光二極管) 和用做激光二極管的驅(qū)動(dòng)電路。在GaAs襯底上集成一只AlGaAs 隱埋異質(zhì)結(jié)激光二極管(BHLD)和兩只金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)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(diào)制輸出的調(diào)制電流。兩個(gè)電流獨(dú)立受控于MESFET柵壓。這種OEIC 設(shè)計(jì)是非平面的, 這種結(jié)構(gòu)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(fā)射機(jī)的頻響限制在幾個(gè)GHz 以下。要想獲得高速工作的OEIC 光發(fā)射, 應(yīng)采用平面型結(jié)構(gòu),這時(shí)應(yīng)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(shí)現(xiàn)高速工作的GsAs OEIC 的工藝已成熟, 并能滿足CD-ROM 和第一代FO 發(fā)射機(jī)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(gòu)成。遺憾的是, 由這些材料構(gòu)成的MESFET 因較低的肖特基勢(shì)壘, 造成高的柵泄漏電流。因此, InGaAsP/InP 的OEIC 不宜使用MESFET。異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT) 是InP OEIC 最理想的電子元件。HBT與MESFET不同,它具有由一個(gè)疊層排列的發(fā)射極、基極和集電極組成的垂直兒何形狀結(jié)構(gòu)。鑒于InP OEIC 光發(fā)射機(jī)構(gòu)形和HBT 結(jié)構(gòu)的各層連接方式, 由于跨接基極/ 發(fā)射極異質(zhì)結(jié)產(chǎn)生一正向偏壓, 而集電極/ 發(fā)射極異質(zhì)結(jié)經(jīng)受一反向偏壓。因此, 當(dāng)一小電流流經(jīng)發(fā)射極/ 基極電路時(shí), 便在經(jīng)基極的發(fā)射極/ 集電極電路中產(chǎn)生一相當(dāng)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(diào)節(jié)HBT 的發(fā)射極/基極電路的電流便可調(diào)節(jié)通過激光器的電流。松下的光發(fā)射器芯片由一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路和在InP層及InGaAsP層上的激光器組成，見下圖。
5 光電集成的優(yōu)點(diǎn)及技術(shù)問題光電集成的優(yōu)點(diǎn)： 1，光電集成電路具有較高的數(shù)字轉(zhuǎn)換速率。（高速性） 2，抗干擾能力強(qiáng)。（抗擾性） 3，單個(gè)集成電路可以具有多種功能。例如，用于多路通信的幾個(gè)不同波長的光發(fā)射和接收器件，有相關(guān)的信號(hào)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(jià)比較高。 光電集成仍需要解決的技術(shù)問題： 1，實(shí)現(xiàn)亞微米量級(jí)的刻蝕技術(shù), 以減少光學(xué)器件和電子器件之間的高度差和間隔。 2，解決光源的集成化問題。 3，解決光學(xué)和電子器件間的工藝相容性。 4，提高成品率, 克服制造和大批量生產(chǎn)的困難。 5，解決熱隔離和電隔離問題。 6，提高光耦合效率。 6 光電集成的前景由于OEIC的固有平行性、抗擾性和高速性等使其還有許多應(yīng)用領(lǐng)域, 如平板顯示和光存儲(chǔ)。許多商用CD 唱機(jī)目前加進(jìn)完全集成的光電讀出頭, 該光電讀出頭可以完成激光二極管、束分裂光柵、非涅爾聚焦光學(xué)、波導(dǎo)和光電二極管的組合功能。 對(duì)OEIC來說, 最具爆炸性影響的應(yīng)用將是光計(jì)算機(jī), 下一代的光計(jì)算機(jī)將大量依賴光子開關(guān)、邏輯電路和大量平行光互連的二維和三維的集成。 光電集成將繼微電子技術(shù)之后再次推動(dòng)人類科學(xué)技術(shù)的革命。目前光電集成的發(fā)展跟不上光電需求的發(fā)展，因此光電子器件及光電集成電路的材料研究已越來越受到重視。OEIC技術(shù)已開始進(jìn)入電子工業(yè)各領(lǐng)域, 使電子工業(yè)出現(xiàn)一個(gè)大的技術(shù)革命，它的作用如同晶體管、IC 對(duì)電子工業(yè)的影響。下個(gè)世紀(jì)將是光電子技術(shù)主宰電子工業(yè)的時(shí)代, 包括通信、信息處理、顯示、光計(jì)算將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)嶄新的面貌。
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