关于光电子技术发展的探讨

关于光电子技术发展的探讨

结合光电子技术发展的最新进展，简要介绍了在长波长光电积体电路（OEIC）、高亮度发光二极体（LED）、大功率雷射器阵列以及光微电子机械（MEMS）等光电子技术领域的研究成果。

标签：光电子；技术；发展

1 引言

光电子技术又是一个非常宽泛的概念，它围绕着光信号的产生、传输、处理和接收，涵盖了新材料（新型发光感光材料，非线性光学材料，衬底材料、传输材料和人工材料的微结构等）、微加工和微机电、器件和系统集成等一系列从基础到应用的各个领域。光电子技术科学是光电信息产业的支柱与基础，涉及光电子学、光学、电子学、计算机技术等前沿学科理论，是多学科相互渗透、相互交叉而形成的高新技术学科。一些国家把大量资金投入光子学和光子技术的研究和开发，许多以光子学命名的研究中心、实验室和公司如雨后春笋般地建立起来。可以毫不夸张地说，一个国家对光子学的投资以及在这一领域从事研究工作的人数直接反映着这个国家科学技术发展的水平。国际知名的科学家已经预言：光子时代已经到来，光子技术将引起一场超过电子技术的产业革命，将给工业和社会带来比电子技术更大的冲击。光电子技术和产业在国家经济建设和科学持续发展中的作用。随着20世纪90年代以来对高速、宽带和长距离光纤通信技术需求的迅猛增长，光电子技术和产业的发展日新月异，进而在新世纪形成了世界范围内的光电子热潮。为推动我国光电子技术和产业的发展，国家在863等高技术产业研发的资助上也给予了光电子以高度关注，目前在长波长光电积体电路（OEIC）、高亮度发光二极体（LED）、大功率雷射器阵列以及光微电子机械（MEMS）等一系列光电子高技术领域取得了进展。本文对光电子技术的最新进展情况加以介绍。

2 长波长光OEIC技术研究

光电积体电路（OEIC）即利用先进的材料外延技术和半导体工艺将雷射器（LD）、发光二极体（LED）、光探测器（PD）等有源光电器件和光波导、精合器等无源光器件与相关的驱动电路、放大电路、监测控制电路等电子电路集成在同一晶片上而形成的具有光子和电子两种信号处理功能的积体电路。OEIC技术的研究主要集中在以分布反馈式（DFB）雷射器或多量子井（MQW）雷射器与金属肖特基场效应电晶体（MESFET）、异质结双极电晶体（HBT）或高电子迁移率电晶体（HEMT）驱动电路构成的光发射机单片积体电路，以及以PIN光探测器或金属——半导体——金属（MSM）光探测器与MESFET、HBT或HEMT 前置放大电路构成的光接收机单片积体电路两个领域。相比而言，光发射OEIC 的发展远远落后于光接收OEIC。我国“七五”就开始进行长波长光发射机单片电路研究和长波长光接收机单片电路的研究，近年来在材料结构设计、集成工艺及电路CAD设计等方面都取得了很大进展。

2.1 长波长光发射机OEIC

我国采用InGaAs /lnGaAsP多量子阱雷射器与InP/lnGaAs HBT驱动电路纵向垂直集成方式，将InP/lnGaAs HBT结构叠于InGaAs/InGaAsP多量子阱雷射器结构之上，用MOVPE系统一次生长完成。發射OEIC的制作主要基于常规的光刻技术、湿法化学腐蚀工艺和金属化工艺，HBT和雷射器制作工艺之间尽可能做到相互兼顾。为了解决垂直集成带来的晶片表面台面过高等问题，我国开发了一种基于InP材料在晶向化学腐蚀形成的平滑剖面雷射器和HBT互连工艺，从而简化了互连工艺，同时使布线导通率得到有效提高。

2.2 长波长光接收机OEIC

采用InGaAs PD与InAIAs/lnGaAs HEMT叠加的一次外延的纵向集成方案，设计材料的结构和参数，用GSMBE方法完成材料的外延生长。我国一些研究机构精心设计了OEIC光接收机的电路图和版图。采用深槽隔离，实现了器件间的有效隔离，采用柠檬酸与双氧水系列腐蚀液来实现InAl（Ga）As/lnP和InGaAs/lnAIAs的选择腐蚀，达到了较好的效果，且工艺重复性好，基本解决了两种器件集成的工艺相容性问题。HEMT器件工艺采用了接触式光学曝光方法和介质辅助剥离技术。关键技术包括选择腐蚀台面腐蚀技术，源漏AuGeNi欧姆接触，阀值电压精确控制技术和互连技术。MSM PD的电极与HEMT 的同步完成，金属化采用电子束蒸发Ti/Pt/Au。最后用实现亚胺平坦化，用TiAu实现二次布线。片上lμm 栅长InAIAs/lnGaAs HEMT最大跨导为180-200mS/mm ，前置放大器功能正常。OEIC光接收机在2.5Gb/s速率下接收功能正确。在此基础上实现了双电源和单电源两种光接收机单片电路。

2.3 OEIC CAD 技术研究

OEIC的电脑辅助设计技术是OEIC研究领域的主要课题之一，对于缩短OEIC的设计周期、降低设计和制作成本，提高可靠性具有重要的意义。我国紧密结合光电器件精确建模这研究主题，运用微波有源器件建模原理对半导体雷射器、光电探测器进行了深入的研究和探索，在此基础上结合微带无源元件电磁模型的研究结果完成了一套具有完整的用户介面和仿真功能的微波/光电混合仿真软件，为Gb/s级OEIC的设计打下了基础。

3 高亮度LED的制造技术与产业

高亮度LED技术为当今光电显示领域热点技术。高亮度LED具有体积小、寿命长、功耗低等优点，广泛用于户外大屏幕显示、交通管制及汽车工业等，其有广阔的市场前景。国内外许多投资者均密切关注其发展，并进行了相当力度的投资。我国目前已初步解决了四元素LED材料和晶片批量生产的关键技术问题。并在GaN超高亮度LED的制造工艺方面进行了探索。

3.1 高亮度LED材料设计和生长

围绕LED材料设计的中心思想在于如何提高材料的发光效率和取光效率。主要问题集中在布拉格反射层、有源层及其异质结的设计、电流扩展层的设计。由于有源层发出的光，射向衬底时被GaAs衬底吸收，因此在GaAs衬底上生长布拉格反射层（DBR），可使射向衬底的光被反射回表面，从而提高出光效率。DBR 由10周期的AIAs/AIGaAs组成。所生长的DBR目测具有良好的均勾性，并且具有良好的反射率。在AIGaIn LED中的一个极为重要的问题是电流扩展，目前我国常采用GaP电流扩展层的技术路线。

3.2 高亮度LED制造工艺

LED器件的设计和加工工艺的技术目标主要有两个：一是制作良好的欧姆接触，以降低正向电压和无效耗散；二是提高外量子效率，确保辐射能有效地导出。而经济目标是低成本地生产，以取得最优的性能价格比的生产。为此我国成功地解决了批量制造过程中增光腐蚀技术、电极下方的电流抑制技术等关键工艺问题。

3.3 超高亮度（UHB）GaN蓝色LEDs

随着GaN宽禁带半导体材料生长技术的突破，超高亮度蓝色LEDs日益成为LED领域关注的热点，而且在超高亮度GaN蓝色LEDs基础上制成的固体光源能发出白光，将使照明和显示技术产生一次新的飞跃。P型惨杂GaN退火技术是晶片制造首要解决的技术。采用MOCVD法生长的Mg惨杂的GaN外延层为高阻材料，需要通过退火工艺，才能得到P型低阻GaN。常用的退火方法有高温快速退火和普通退火。而采用普通退火工艺，其设备简单，条件容易控制，适合大批量生产。通过对主要的退火条件如氮气的纯度、流量、温度和时间的控制以改进外延层的表面质量和保证晶体完整性。

参考文献

[1]安毓英.光电子技术[M].电子工业出版社，2002.

[2]姚建铨，于意仲.光电子技术[M].高等教育出版社，2006.