關于光電子技術發展的探討

摘 要：結合光電子技術發展的最新進展，簡要介紹了在長波長光電積體電路（OEIC）、高亮度發光二極體（LED）、大功率雷射器陣列以及光微電子機械（MEMS）等光電子技術領域的研究成果。

關鍵詞：光電子；技術；發展

1 引言

光電子技術又是一個非常寬泛的概念，它圍繞著光信號的產生、傳輸、處理和接收，涵蓋了新材料（新型發光感光材料，非線性光學材料，襯底材料、傳輸材料和人工材料的微結構等）、微加工和微機電、器件和系統集成等一系列從基礎到應用的各個領域。光電子技術科學是光電信息產業的支柱與基礎，涉及光電子學、光學、電子學、計算機技術等前沿學科理論，是多學科相互滲透、相互交叉而形成的高新技術學科。一些國家把大量資金投入光子學和光子技術的研究和開發，許多以光子學命名的研究中心、實驗室和公司如雨后春筍般地建立起來。可以毫不夸張地說，一個國家對光子學的投資以及在這一領域從事研究工作的人數直接反映著這個國家科學技術發展的水平。國際知名的科學家已經預言：光子時代已經到來，光子技術將引起一場超過電子技術的產業革命，將給工業和社會帶來比電子技術更大的沖擊。光電子技術和產業在國家經濟建設和科學持續發展中的作用。隨著20世紀90年代以來對高速、寬帶和長距離光纖通信技術需求的迅猛增長，光電子技術和產業的發展日新月異，進而在新世紀形成了世界范圍內的光電子熱潮。為推動我國光電子技術和產業的發展，國家在863等高技術產業研發的資助上也給予了光電子以高度關注，目前在長波長光電積體電路（OEIC）、高亮度發光二極體（LED）、大功率雷射器陣列以及光微電子機械（MEMS）等一系列光電子高技術領域取得了進展。本文對光電子技術的最新進展情況加以介紹。

2 長波長光OEIC技術研究

光電積體電路（OEIC）即利用先進的材料外延技術和半導體工藝將雷射器（LD）、發光二極體（LED）、光探測器（PD）等有源光電器件和光波導、精合器等無源光器件與相關的驅動電路、放大電路、監測控制電路等電子電路集成在同一晶片上而形成的具有光子和電子兩種信號處理功能的積體電路。OEIC技術的研究主要集中在以分布反饋式（DFB）雷射器或多量子井（MQW）雷射器與金屬肖特基場效應電晶體（MESFET）、異質結雙極電晶體（HBT）或高電子遷移率電晶體（HEMT）驅動電路構成的光發射機單片積體電路，以及以PIN光探測器或金屬——半導體——金屬（MSM）光探測器與MESFET、HBT或HEMT前置放大電路構成的光接收機單片積體電路兩個領域。相比而言，光發射OEIC的發展遠遠落后于光接收OEIC。我國“七五”就開始進行長波長光發射機單片電路研究和長波長光接收機單片電路的研究，近年來在材料結構設計、集成工藝及電路CAD設計等方面都取得了很大進展。

2.1 長波長光發射機OEIC

我國采用InGaAs /lnGaAsP多量子阱雷射器與InP/lnGaAs HBT驅動電路縱向垂直集成方式，將InP/lnGaAs HBT結構疊于InGaAs/InGaAsP多量子阱雷射器結構之上，用MOVPE系統一次生長完成。發射OEIC的制作主要基于常規的光刻技術、濕法化學腐蝕工藝和金屬化工藝， HBT和雷射器制作工藝之間盡可能做到相互兼顧。為了解決垂直集成帶來的晶片表面臺面過高等問題，我國開發了一種基于InP材料在晶向化學腐蝕形成的平滑剖面雷射器和HBT互連工藝，從而簡化了互連工藝，同時使布線導通率得到有效提高。

2.2 長波長光接收機OEIC

采用InGaAs PD與InAIAs/lnGaAs HEMT疊加的一次外延的縱向集成方案，設計材料的結構和參數，用GSMBE方法完成材料的外延生長。我國一些研究機構精心設計了OEIC光接收機的電路圖和版圖。采用深槽隔離，實現了器件間的有效隔離，采用檸檬酸與雙氧水系列腐蝕液來實現InAl（Ga）As/lnP和InGaAs/lnAIAs的選擇腐蝕，達到了較好的效果，且工藝重復性好，基本解決了兩種器件集成的工藝相容性問題。HEMT器件工藝采用了接觸式光學曝光方法和介質輔助剝離技術。關鍵技術包括選擇腐蝕臺面腐蝕技術，源漏AuGeNi歐姆接觸，閥值電壓精確控制技術和互連技術。MSM PD的電極與HEMT 的同步完成，金屬化采用電子束蒸發Ti/Pt/Au。最后用實現亞胺平坦化，用TiAu實現二次布線。片上lμm 柵長InAIAs/lnGaAs HEMT最大跨導為180-200mS/mm ，前置放大器功能正常。OEIC光接收機在2.5Gb/s速率下接收功能正確。在此基礎上實現了雙電源和單電源兩種光接收機單片電路。

2.3 OEIC CAD 技術研究

OEIC的電腦輔助設計技術是OEIC研究領域的主要課題之一，對于縮短OEIC的設計周期、降低設計和制作成本，提高可靠性具有重要的意義。我國緊密結合光電器件精確建模這研究主題，運用微波有源器件建模原理對半導體雷射器、光電探測器進行了深入的研究和探索，在此基礎上結合微帶無源元件電磁模型的研究結果完成了一套具有完整的用戶介面和仿真功能的微波/光電混合仿真軟件，為Gb/s級OEIC的設計打下了基礎。

3 高亮度 LED的制造技術與產業

高亮度 LED技術為當今光電顯示領域熱點技術。高亮度 LED具有體積小、壽命長、功耗低等優點，廣泛用于戶外大屏幕顯示、交通管制及汽車工業等，其有廣闊的市場前景。國內外許多投資者均密切關注其發展，并進行了相當力度的投資。我國目前已初步解決了四元素LED材料和晶片批量生產的關鍵技術問題。并在GaN超高亮度LED的制造工藝方面進行了探索。

3.1 高亮度LED材料設計和生長

圍繞LED材料設計的中心思想在于如何提高材料的發光效率和取光效率。主要問題集中在布拉格反射層、有源層及其異質結的設計、電流擴展層的設計。由于有源層發出的光，射向襯底時被GaAs襯底吸收，因此在GaAs襯底上生長布拉格反射層（DBR），可使射向襯底的光被反射回表面，從而提高出光效率。DBR 由10周期的AIAs/AIGaAs組成。所生長的DBR目測具有良好的均勾性，并且具有良好的反射率。在AIGaIn LED中的一個極為重要的問題是電流擴展，目前我國常采用GaP電流擴展層的技術路線。

3.2 高亮度 LED制造工藝

LED器件的設計和加工工藝的技術目標主要有兩個： 一是制作良好的歐姆接觸，以降低正向電壓和無效耗散；二是提高外量子效率，確保輻射能有效地導出。而經濟目標是低成本地生產，以取得最優的性能價格比的生產。為此我國成功地解決了批量制造過程中增光腐蝕技術、電極下方的電流抑制技術等關鍵工藝問題。

3.3 超高亮度（UHB）GaN藍色LEDs

隨著GaN寬禁帶半導體材料生長技術的突破，超高亮度藍色LEDs日益成為LED領域關注的熱點，而且在超高亮度GaN藍色LEDs基礎上制成的固體光源能發出白光，將使照明和顯示技術產生一次新的飛躍。P型慘雜 GaN退火技術是晶片制造首要解決的技術。采用MOCVD法生長的Mg慘雜的GaN外延層為高阻材料，需要通過退火工藝，才能得到P型低阻GaN。常用的退火方法有高溫快速退火和普通退火。而采用普通退火工藝，其設備簡單，條件容易控制，適合大批量生產。通過對主要的退火條件如氮氣的純度、流量、溫度和時間的控制以改進外延層的表面質量和保證晶體完整性。

參考文獻

[1]安毓英.光電子技術[M].電子工業出版社，2002.

[2]姚建銓，于意仲.光電子技術[M].高等教育出版社，2006.