单片集成光接收机前端关键技术及相关新型光电子器件的研究

论文摘要

互联网的飞速发展、持续增加的带宽需求成为光纤通信系统发展的驱动力。目前,光纤通信正在向智能化、集成化、低成本和高可靠性的新一代光网络演进,因此对光电器件也提出了更高的要求。光电集成器件较分立封装的光电组件具有几何尺寸小、寄生参量小、成本低和可靠性高等优点,因此成为光通信和光电子领域的研究热点。本论文工作是围绕国家重点基础研究发展计划（973计划）项目（No.2003CB314900）、国家高科技研究发展计划（863计划）项目（No.2003AA31g050、No.2006AA03Z416和No.2007AA03Z418）、国家自然科学基金项目（No.60576018）及重点项目（No.90601002）、国际科技合作重点项目计划项目（No.2006DFB11110）展开的。论文针对异质结双极晶体管（HBT）、单片集成光接收机前端以及具有波长选择功能的单片集成解复用接收器件进行研究。基于本实验室现有的设备和工艺技术,通过大量的理论分析和实验工艺探索,取得的主要研究成果如下所述:1.从材料的物理特性出发,利用HBT的物理器件模型及各参量的表达式,研究了InP基HBT各主要物理参量的变化对器件性能的影响。提出了可用于光电集成的InP基HBT的优化设计方案。2.基于本实验室的工艺线,完成了InP基HBT的器件外延结构和版图设计、掌握了器件的制备工艺。成功制备了InP基HBT以及PIN光探测器和NiCr电阻。其中采用MBE生长的发射极宽度2μm的InP基HBT,开肩电压为0.43V,击穿电压大于2V,直流增益达到100倍,截止频率达到38GHz;采用MOCVD生长的发射极宽度2μm的InP基HBT,开启电压为0.4V,击穿电压大于2V,直流增益为30倍,截止频率达到40GHz。3.采用HBT大信号模型和PIN光探测器的高频模型,进行了模型参数提取,设计了多种形式的前端放大电路。通过对电路形式进行优化和比较,选择了跨阻反馈单极共射放大电路的形式成功制备了PIN-PD+HBT单片集成光接收机前端。其中,光探测器台面面积为22×22μm2,HBT发射极宽度为3μm,NiCr电阻的方阻值为100Ω。探测器外加2.5V反向偏压、电路外加2V偏压时测得该集成器件的3dB带宽为3GHz。4.进一步对RCE-PD+HBT单片集成光接收机前端进行了研究。该集成器件能够缓解PIN光探测器量子效率和HBT高频性能之间相互制约的问题。对该集成器件进行了实验验证。5.提出基于GaAs/InP异质外延的RCE-PD+HBT单片集成光接收机前端。成功制备了其中的GaAs基InP/InGaAs HBT,开启电压为0.4V,击穿电压大于2V,直流增益为20倍,截止频率为10GHz。这一工作是实验室用异质外延的方法解决半导体光电子集成这一思想的一个具体应用,同时也证明了目前异质外延材料的质量可以用于器件的制备。6.提出一种具有多波长处理功能的单片集成解复用光接收器件,该集成器件做为集成光分插复用设备中的关键组成部分能够完成波分复用多波长信号的解复用接收功能。对该集成器件的关键制备工艺进行了摸索,实现了具有两个不同中心波长的阶梯形GaAs基滤波器,中心响应波长为1533.6nm和1518.6nm,线宽约为0.5nm。7.实验室提出的特殊图案透明欧姆接触微结构能够在不影响器件入光面积的情况下有效地减小光探测器的结电容进而提高器件的响应速率。本论文针对网状和环状欧姆接触微结构进行了进一步研究,并得出了定量结论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 光电集成的应用价值与意义
• 1.2 单片集成光接收器件的研究与发展现状
• 1.3 InP基PIN-PD+HBT集成光接收机前端
• 1.4 具有波长处理功能的单片集成解复用光接收器件
• 1.5 论文的结构安排
• 参考文献
• 第2章 HBT器件概述
• 2.1 HBT器件的发展概况
• 2.2 HBT器件的工作原理及优越性
• 2.2.1 BJT的工作原理
• 2.2.2 HBT的工作原理
• 2.2.3 HBT的电流组成
• 2.2.4 HBT的优越性总结
• 2.3 HBT器件的材料体系
• 2.3.1 GeSi材料系
• 2.3.2 GaAs材料系
• 2.3.3 InP材料系
• 2.4 HBT器件的生长技术
• 2.4.1 MOCVD生长技术
• 2.4.2 MBE生长技术
• 2.5 HBT器件的性能参数
• 2.5.1 截止频率和最高振荡频率
• 2.5.2 电流增益
• 2.5.3 开启电压
• 2.5.4 击穿电压
• 2.6 影响HBT器件性能的重要效应
• 2.6.1 Kirk效应
• 2.6.2 发射极拥挤效应
• 2.7 小结
• 参考文献
• 第3章 HBT器件的理论模型及优化设计
• 3.1 InGaAs与InP材料的迁移率随掺杂浓度的变化关系
• 3.2 HBT器件的理论模型与参量计算
• 3.2.1 HBT器件的理论模型
• 3.2.2 HBT器件的参量计算
• 3.3 HBT器件的优化设计
• 3.3.1 主要参量对器件性能的影响
• 3.3.2 HBT器件的优化设计
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第4章 InP基HBT的制备与测试
• 4.1 HBT器件的版图及外延结构设计
• 4.1.1 器件版图设计
• 4.1.2 外延结构设计
• 4.2 InP基HBT器件的制备
• 4.3 器件制备工艺研究
• 4.3.1 欧姆接触电阻测量
• 4.3.2 金属电极的剥离
• 4.3.3 聚酰亚胺平坦化
• 4.4 InP基HBT器件的测试
• 4.4.1 MBE生长的HBT的测试结果
• 4.4.2 MOCVD生长的HBT的测试结果
• 4.4.3 两种设备生长的HBT的性能比较
• 4.5 探测器的制备
• 4.6 NiCr电阻的制备
• 4.7 器件参数提取
• 4.7.1 SPICE参数列表
• 4.7.2 Gummel-Poon大信号模型的建立
• 4.7.3 HBT的SPICE参数提取
• 4.7.4 HBT的SPICE模型仿真结果
• 4.7.5 PIN光探测器的参数提取
• 4.8 小结
• 参考文献
• 第5章 单片集成光接收机前端的分析与研究
• 5.1 单片集成光接收机前端的设计要求
• 5.2 HBT用于放大电路的三种组态
• 5.3 单片集成光接收机前端的电路设计
• 5.3.1 前端电路的基本反馈形式
• 5.3.2 单级共射放大电路
• 5.3.3 单级共射加输出缓冲放大电路
• 5.3.4 跨阻反馈单级共射放大电路
• 5.3.5 跨阻反馈两级共射放大电路
• 5.3.6 共基共射负反馈两级放大电路
• 5.4 PIN-PD+HBT单片集成光接收机前端的制备与测试
• 5.4.1 外延片结构
• 5.4.2 集成电路版图
• 5.4.3 器件的制备与测试
• 5.5 RCE-PD+HBT单片集成光接收机前端
• 5.6 异质外延RCE-PD+HBT单片集成光接收机前端
• 5.7 小结
• 参考文献
• 第6章 具有波长处理功能的单片集成解复用接收器件
• 6.1 波分复用（WDM）技术
• 6.1.1 波分复用原理
• 6.1.2 解复用接收技术
• 6.2 可重构光分插复用（ROADM）技术
• 6.2.1 ROADM的功能模块
• 6.2.2 ROADM的实现技术
• 6.3 具有波长处理功能的单片集成解复用接收器件
• 6.3.1 器件结构和基本原理
• 6.3.2 集成器件响应光谱特性的分析
• 6.3.3 集成器件初步的实验研究与实现方法
• 6.4 特殊图案透明欧姆接触微结构
• 6.4.1 器件响应速率的分析模型
• 6.4.2 欧姆接触微结构工作原理
• 6.4.3 有限差分计算
• 6.4.4 欧姆接触微结构仿真分析
• 6.5 小结
• 参考文献
• 第7章 总结
• 附录1 常用半导体材料参数
• 附录2 散射参数与其它参数之间的转化
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文