《微电子与光电子第八章第二次课》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微电子与光电子第八章第二次课（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1、ED智能像素半导体多量子阱自电光效应器件是20世纪0年代后期迅速发展起来的一种新颖的光电混合型光逻辑开关器件。SEED是美国贝尔实验室对自电光效应器件（SelEectropic EffectDvice)的简称，其他一些国家称这种器件为量子阱激子吸收反射开关(EARS)器件、多量子阱光逻辑开关器件、量子阱非对称谐振腔光调制器等不同名称，本文统一称做SED器件。SE器件一般是用ME或OC生长多量子阱材料，利用现有的较为成熟的微电子工艺制作器件及阵列，其开关速度很快,可达ns量级或更低,光能耗低，器件单位面积开关能耗可达J量级，可在室温下长期连续工作，特别是反射型E器件具有结构简单、高速、极低能
2、耗、易于高密度平面集成、稳定性好、室温工作等特点,可实现光探测、光调制、光开关、光逻辑、光存储、光电/电光转换等多种功能,并与其他光电子器件及电子电路具有良好的集成兼容性。SEE器件及阵列是一种在GaAs/AGas多量子阱材料上制作的电吸收光电子器件,既可用做光探测器,也可用做光调制器;既可与Si集成电路混合集成,也可与aAs电子器件单片集成，光垂直入射于器件表面或从器件表面反射,可以很方便地制作成大规模高密度二维集成面阵。第一个EED智能像素是美国贝尔实验室于989年研制的，只是做了原理性实验,电路的开关速率不高。单片集成的光电子集成回路具有结构紧凑、器件一体化等特点，但由于光子集成器件和电
3、子器件无论是在材料和器件结构方面，还是在制作工艺方面差异都非常大，实现光子集成器件和电子器件具有很好的兼容性难度非常大。在同一材料上既要制作多量子阱（MW)光探测器、光调制器这样的光子集成器件，又要制作FE这样的电子器件，两类器件的工作机理、工作条件很不相同，器件结构差异很大，光子集成器件多为竖直结构，电子器件多为平面结构，因此在单片集成结构设计中，只能相互协调,遇到相互矛盾之处只能采取折中办法，因此就不能对每个器件都做到最优化设计，也就很难使每个光子器件及电子器件都处于最佳工作状态。此外，由于光子器件和电子器件结构不同，不可避免地要造成相互之间的不良影响。还有,在GaAs材料基片上制造大规模
4、集成电路技术还很不成熟，成品率低,造价高，而在MQW材料制作完成SED器件后,再制作GaAsFET，两类器件相互影响，造成单片集成的大阵列ED智能像素的成品率就更低了，因而，很难满足应用系统要求智能像素性能参数应具有良好一致性的实际需要.为了解决单片集成GaAs FT-EE智能像素存在的问题,贝尔实验室于995年提出将SEE光探测器、光调制器等光子集成器件与S CMS电路进行混合集成,构成电路规模更大、功能更强、成品率更高的COEED智能像素，这为光电子集成技术向大规模、高性能价格比、实用化方向发展迈出了一大步。混合集成的智能像素具有器件优化程度高、成品率高、可充分发挥光子集咸器件和电子器件的
5、性能、选择器件功能灵活等优点，集成后的智能像素体积小、功能多、性能价格比大大提高，是光电子集成系统目前发展的主要趋势。CMOSSEED智能像素是将SEED器件制作在GaAsAlGAs QW材料上,电子器件是在Si晶片上制作CMS电路, SEED器件和电子器件分别制备好以后,用倒装焊接技术将SEED器件焊接在SiCMS芯片上.CMO工艺是微电子技术的主要工艺,目前发展得相当成熟,制造的超大规模集成电路成品率非常高，只要将制备好的SE阵列和CMS集成电路通过倒装焊接技术焊接在一起，就可获得性能优良的CMSSED智能像素，无论是在阵列规模方面，还在从性能价格比方面都比单片集成GaAs F-EED智能
6、像素要优越得多。2、VCL智能像素垂直腔面发射激光器(VticCat urfcEmitig Le,VCSEL）及其阵列是一种新型的半导体激光器，是光子学器件在集成化上的一项重大突破,它可以充分发挥光子的平行操作能力，在光互连、光通信、图像信号处理、模式识别和神经网络、激光打印、光存储读/写光源等领域具有广阔的应用前景。垂直腔面发射激光器与侧向出光的边发射激光器在结构上有着很大的不同，其输出光垂直于衬底。这种独特的器件结构易于实现二维平面阵列,小发散角和对称的远近场分布，使得其与光纤的耦合效率大为提高。短腔长导致纵模间距较大，在较宽的温度范围内易于得到单纵模工作,动态调制频率高。微腔效应使得自发
7、发射因子较普通边发射激光器有几个量级的提高，导致许多物理特性大为改善,能够实现极低阈值电流工作。国际上有许多研究单位和公司都加入了VCSEL的研制工作，包括日本的东京工业大学、C公司、N光电实验室等，美国的ucent技术研究所（原AT Bell L）、Caifoni大学（SB)、南加州大学、exas大学、Corne大学、adi国家实验室、Motool、P、Hneyell等，德国的lm大学，以及英国、韩国和其他国家的一些研究机构。我国从90年代初期也开始了VCEL的研制工作，主要单位有中国科学院半导体研究所、吉林大学和北京大学等，并取得较大的成绩,实现了aAlGAs、nGaAs/GsVCSL的室
8、温连续激射。81。2智能像素的应用由于微光电子集成智能像素集光子集成器件和超大规模集成电路于一体,同时具有光信号探测、调制、变换、处理、发射、传输等功能和电信号存储、放大、逻辑、智能控制等功能。因此微光电子集成智能像素可广泛应用于光互连、光交换、信息存储、信息传输、图像处理和神经网络等方面.在高速、大容量数据计算和信息通信系统中，系统内部数据计算和信息处理的速度是很快的,而系统的输入/输出速度相对较慢,在输入和输出端出现一个瓶颈,铝和铜等金属线很难承担起高密度互连作用，因此必然提出用光实现高密度互连和信息交换。光互连通过操作半导体激光器、光调制、光接收及光逻辑开关等光子器件,实现对光波的强度、
9、相位、波长和偏振态等的变换与控制,将信息加载在光波上，从而完成对信息的处理和传输功能。光互连具有极高的空间和时间带宽积、互连密度高、无接触性、等程性、不受电磁场干扰和功耗低等许多电互连所不具备的特点,可以解决电互连的带宽限制、时钟歪斜、串话、寄生效应、电磁场干扰等圃有缺陷和输入/输出速度较慢的瓶颈问题，可望取代传统的电互连技术构成高速、高密度、可重构的互连网络而成为新一代的互连技术，以满足大规模多处理器并行计算机和高速信息通信交换系统的要求。光互连包括高性能计算机之间、大规模并行多处理器之间、超大规模电路芯片之间，以及芯片内部的互连。光交换除了这几方面的数据交换外，还包括通信中的光纤传输信息交
10、换。光互连有自由空间光互连和光波导光互连两种类型。远距离系统之间光互连多采用光波导光互连,插板之间的光互连、自由空间和光波导光互连均可采用；短距离芯片间的光互连可用自由空间光互连来实现，芯片内部逻辑门之间的光互连必须通过光波导来实现。光互连和光交换必须有相应的开关功能器件,它是实现光互连和光交换的基本单元。开关器件位于光互连网络节点处,它根据控制指令，通过改变光信号的强度、相位、波长和偏振等关键信息特征，实现对光信息的选通和控制，光开关器件是光互连和光交换的关键器件，它决定了系统的速率、容量、规模和实用化程度。EED智能像素和VCSEL智能像素为光互连技术的发展提供了关键器件。图81是SEE智
11、能像素构成的光互连、光交换结构示意图.16个光探测器和个光调制器由量子阱SED器件构成，选通电路和其他逻辑控制电路制作在Si CM集成电路芯片上，SED集成面阵和CO芯片通过倒装焊接成一体.4个光纤通道的输入光首先经过分束分别照射在16个光探测器上，经过ED器件转换成电信号送入选通电路,选通的电信号再由SEED光调制器将电信号转换成光信号传输给输出光纤,整个信息交换过程是由光和电共同完成的， 因此它是一种光电Crsba结构。图SEED智能像素构成的光互连、光交换结构示意图8。2 EED智能像素、物理基础随着分子束外延(ME）和金属有机物化学气相淀积（MCD）技术的成熟与发展，可以在半导体衬底上
12、均匀生长原子量级的超薄层，通过两种半导体材料的交替生长,形成一系列周期性的势垒和势阱，这就是所谓的超晶格量子阱结构。在量子阱中,由于电子的平均自由程大于势阱的宽度，将产生量子尺寸效应，态密度由体材料的连续抛物线形变成量子阱中的台阶形，台阶形态密度分布使注入量子阱中电子、空穴能量分布更为集中，大大提高了注入载流子的利用效率，由于量子阱材料吸收带边比体材料要陡直得多，因而吸收损耗系数至少降低一个量级。量子阱材料的另一重要特点是具有很强的室温激子吸收行为。在二维量子阱材料中,由于电子和空穴被束缚在宽度小于玻尔半径的量子阱内，电子和空穴只能在量子阱平面内运动,垂直于阱壁方向上运动受量子尺寸（约小于20
13、m）限制,电子和空穴之间平均距离减小,电子-空穴对的库仑作用增加，这种电子空穴对形成激子。由于势垒的宽度较窄,势阱与势阱之间波函数交叠，量子阱材料中的激子结合能约为1 m（体材料的激子束缚能约为 mV）,已经可与室温下的载流子动能2 eV相比拟,所以在室温下量子阱中激子仍然不容易离化.室温激子的存在使超晶格量子阱材料在带边附近的光学性质与体材料有很大的不同，特别是在垂直于量子阱壁的电场作用下，光学性质会有很大的改变，从而导致相关光学参数的非线性效应。主要有二维激子的非线性吸收及色散效应、电场作用下的量子限制tark效应等。对于多量子阱结构，在室温下，当垂直于阱壁的电场高达105Vcm时，在电场
14、的作用下，电子和空穴向势阱两侧相反方向移动,但由于势垒的阻挡作用，激子仍然不会离化，仍有明显的激子效应,吸收边仍保持较为陡直。在外电场作用下，势阱变为非对称，能带发生倾斜；基态电子、空穴波函数产生极化，偏向势阱的两侧；基态能级有所下降，这将导致激子吸收峰红移（向长波方向移动);同时由于电子、空穴波函数的交叠程度减小,激子吸收峰强度降低，如图所示。这种在垂直于量子阱壁的电场作用下,激子吸收峰红移，同时吸收强度减小的现象称为量子限制Stak效应(QCSE）。半导体量子阱光调制器、自电光效应器件等都是利用量子阱在外电场作用下引起的吸收边附近吸收系数和折射率改变的特性工作的.图 2 GaAs/AlGa
15、s量子阱在电场作用下的吸收谱2、工作原理SED器件利用超晶格量子阱二维自由激子吸收在外电场作用下的非线性变化，通过外部反馈元件的正反馈作用可实现光双稳功能；通过多量子阱电吸收及电色散效应，可对光强进行调制，从而实现光调制开关功能。量子阱的室温激子效应及其很强的可饱和吸收特性和量子限制Sark效应是自电光效应器件的物理基础。SEE器件一般采用p结构,其中i区为多量子阱吸收区，工作时与一定负载连接并施加反向电压。SEED器件采用pi结构,一方面是为了抑制暗电流的产生，使电路中的工作电流主要来自吸收区产生的光吸收电流；另一方面又使反向偏置下的pin管具有较大的阻抗，从而可在其上施加较高的电压，以便更有效地利用量子限制Stark效应.根据光路的形式不同,D器件分为透射型和反射型两种。透射型SEED器件除顶部窗口外,还需在底部对应位置刻蚀衬底形成透射光窗口。反射型SED器件一般在器件底部生长被称为分布布拉格反射层的多层高反射介质膜，顶部窗口入射光被底部DR反射后从原窗口输出。倒装焊结构的ED器件是用表面的金属作反射镜。反射型ED器件与透射型相比较,具有易于大规模平面集成、对入射光的利用率较高、易于改善开关时间、能够获得较高的对比度及具有较好的热学特性等优点，因此具有更大的实用性，但反射型器件在材料生长、器件设计、器件制作工艺及
