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雪花舞剑木虫 (小有名气)
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[交流]
面向21世纪的半导体光电子器件
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1 引言 80年代以来，超薄层外延技术、微细加工技术、低温制冷和封装技术，以及先进的测试技术等广泛应用于光电子器件的生产与研究领域，推动着整个光电子技术迅速成为当今世界一门新型的高科技产业群和新的经济增长点。为满足下世纪信息采集高分辨率、信息传输宽带化、信息存贮超大容量、信息处理高速化、武器打击高精度化的需要，充分利用各种先进工艺，新一代高性能光电子器件正在开发当中。 2 高性能半导体激光器(LD) 2.1 高速宽带LD 高速宽带LD的发展，已进入第3代。第1代用隐埋异质结结构(BH)，第2代用分布反馈结构(DFB)或DFB与量子阱结合，第3代是目前正在大力开发的应变层量子阱(SL-QW)结构。前两种都已达到实用水平，用于10 Gb/s以上光纤数字通信和X～Ku波段微波信号传输与处理。美国的GTE、罗克韦尔国际中心、Lasertron、贝尔实验室等的长波长LD组件的带宽都已超过20 GHz，其中GTE的1.3 μm InGaAsP BH LD的3 dBm带宽达到24 GHz。DFB LD是利用光栅的选频特性来稳定振荡模式，使LD在高频下仍保持单模工作，若在其有源区引入量子阱技术，将使器件的阈值电流和输出功率等参数也得到改善。因此DFB MQW在高频LD技术中被广泛使用。 应变层量子阱LD是新一代高速宽频带光源。它是在晶格常数明显不同于外延层的衬底上生长量子阱，这种晶格失配将产生内在应变，内在应变改变了材料的能带结构，导致一系列参数改善。因决定调制带宽的张弛振荡频率与微分增益的平方根成正比，应变可提高微分增益，从而改善SL-MQW LD的高频调制特性。增益提高还可改进线宽增强因子，使LD在高速光通信中的主要问题——频率啁啾得到抑制。根据理论计算，压应变InxGa1-xAs/InP/ MQW LD的3 dBm本征带宽可达到90 GHz。美、日、德等国的短波长LD的调制频率已达到30 GHz以上［1］，长波长的超过25 GHz。由于应变层量子阱LD不仅带宽和响应速度得以改善，其他主要性能参数也得到全面改善，因而被公认为是下世纪的高速宽带候选LD。 2.2 大功率LD 大功率LD最重要的应用是用作固体激光器的泵浦光源，它在芯片制作技术和制冷与封装技术方面均代表了光电子器件的先进技术。在90年代初，用于Nd:YAG泵浦的808 nm AlAsP阵列器件成熟后，大功率化的发展趋向一是用多个1 cm宽的阵列条堆积成超大功率组件［2］，二是开发适用于新材料泵浦的器件，三是探索新的器件结构。 成熟的1 cm阵列条器件的室温连续波(RT CW)额定功率达20 W，准连续(QCW)脉冲功率可达200 W以上，若把数十乃至更多的单个条组合成二维阵列，其功率可达几千至几万瓦(脉冲)。麦道光电子公司曾报道了45 kW的组件。在808 nm、785 nm YAG泵浦源成熟后，人们把目光转向了泵浦氟化物固体红光激光二极管阵列。美国的SDL报道了1 cm宽阵列的670 nm AlGaInP LD，其QCW 功率达到100 W，并进入系统试用阶段。美国光功率公司最近通过改进外延技术和致冷技术，突破了1 cm阵列20 W室温CW功率限，从1 cm InGaAs/AlGaAs阵列获得915 nm波长下40 W额定功率值，光纤耦合功率达30 W，通过水冷达到155 W CW输出［3］。表面出光结构是大功率化的发展方向，这种结构适合二维集成，通过提高集成度来增加输出功率，其最大优点是光耦合方便。这种器件主要采用垂直腔、曲形腔和45°内腔微反射镜，也有用二次光栅折射的。因垂直腔是微型腔，功率受限，后几种更有前途。如法国汤姆逊公司的曲形腔AlGaAs LD阵列达到1 000 W QCW功率，麻省理工学院的同类结构获40 W CW输出。美国SDL的45°角内腔反射器4×12元二维阵列，达到132 W CW功率。美国休斯Danbury光学系统公司用二次光栅的DFB激光器3×4元获得20 W表面发射，该阵列可用于100 km以上远程雷达发射机。 2.3 短波长LD 在600 nm波段的AlGaInP LD实现商品化后，短波长化的重点已转向蓝绿光，它比广泛用于音响CD机的LD的波长(780 nm)短300 nm，比目前市场势头正旺的DVD机的LD波长短100 nm。它将成倍提高信息贮存密度，对实现全色显示以及高速激光打印等有着重大意义，将成为下世纪的主要光电子器件之一。该器件目前所用材料主要是ZnSe和GaN量子阱。自90年代初美国3M公司开发出ZnSe QW LD，并实现室温脉冲工作以来，近几年的研究已进展到实用化的边缘。ZnSe蓝光LD于1993年实现室温下CW工作，1996年实现室温寿命101 h；GaN MQW LD实现室温下27 h CW工作，最近已达到300 h。日本的索尼、日亚、美国的3M公司以及德国的西门子公司的器件水平较高。日亚的GaN蓝绿光LD的寿命已超过1 000 h［4］。 3 光电探测器(PD) 光电探测器作为光接收信号的核心器件，从可见光到近红外波段的普通器件已十分成熟。下一代器件的发展方向是高速化、低噪声和长波长。 以InP长波长器件为主的高速宽带PD主要用于未来的信息高速公路及多媒体传输，其传统结构为PIN和APD。限制PIN光探测器响应的主要因素早已弄清，高速响应需要很薄的本征层(吸收层)，但吸收层太薄会影响量子效率。原则上PIN PD的带宽可超过200 GHz，但200 GHz InGaAs/InP PD在最好情况下只有16%的量子效率。所以PIN PD 高速化研究主要集中在提高响应速度并兼顾量子效率上。为此人们研制了各种新型PIN PD，如波导结构、双异质结构、双耗尽区结构、谐振腔增强型结构的器件。日本NTT公司研制的蘑菇形台面波导PIN PD，在1.55 μm获得110 GHz的3 dB带宽，外量子效率达50%(即0.63 A/W)。 PIN PD在使用时需加FET前放电路，这引起噪声，降低接收灵敏度。在高速高灵敏光接收系统中，有内部增益的雪崩光电二极管，正成为高性能光电二极管的首选器件，尤其是超晶格雪崩光电二极管(SL-APD)。在二极管倍增区引入超晶格和量子阱后，电子离化率(α)提高，由于α远大于空穴离化率β，倍增噪声明显下降，也增加了增益带宽积。再通过背照式倒装结构，使APD性能得到全面改善。NEC光电子研究所的InGaAs SL-APD的增益带宽乘积达到了150 GHz［5］。由于APD噪声低、组件体积小，也成为激光成像雷达和微波光纤系统等的主要光电子器件。 2 μm以上长波长探测器是未来以氟化物光纤为基础的超低损耗光通信系统必需的光接收器件，也是测距、医疗等应用中对肉眼安全的波长的器件。该波长的主要材料是GaInAsSb/GaSb或InAsSbP/InAs。美、日、欧、俄等国都在积极开发。采用MOCVD技术，可减少缺陷、降低暗电流、改善可靠性，但与近红外光电二极管相比，技术还不成熟。 4 可见光摄像器件 CCD是目前技术最成熟、应用最广泛的可见光图像传感器。80年代中期实现了40万以下像素CCD规模生产后，CCD转向大面阵、小像素、紫外光谱区，以适应科学应用和工业机器人视觉传感以及数字相机等的需要。用于下一代高清晰度电视的16.72 mm 200 万像素(1 920×1 035)阵列，纵横比为9：16，水平分辨率达1 000 TV线。工业监控用的1 000×2 000位像素CCD，均已达到商品化。 在科学应用领域，1 024×1 024位以上大面阵CCD大量用于太空探测、地质、医学、生物科学以及遥感、遥测、低空侦察等。2 048× 2 048、 4 096× 4 096、5 120×5 120位格式CCD都已达到小批量生产水平。如泰克公司和喷气实验室的 2 048×2 048位面阵CCD最早用于新一代哈勃太空望远镜摄谱仪和固定天文观测站。美国Recon光学公司开发的5 040×5 040位CCD像机在一万米高空进行拍摄试验，空间分辨率达1.58英寸(1英寸等于2.54厘米)。继美国轨道公司和加拿大达尔莎传感器公司1994年研制成功单片集成的5 120×5 120位器件后，荷兰菲力浦光电子中心在6英寸晶片上研制出9 000×7 000位(总共6 300万像素)CCD阵列，最近洛克希得公司生产的CCD芯片，分辨率达到9 216×9 216的空前高度。CCD的低成本大面阵与小像素相关，目前最小像素尺寸为5 μm，40万像素阵列正趋向于1/5英寸以下芯片尺寸。X射线CCD以非晶硅材料为主，可见光至紫外区扩展光谱则以普通硅CCD背面减薄技术为主。 为了开发下一代单片式低成本像机，研究重点已更多地转向有源像素图像传感器(APS)，这种器件在下世纪将成为数字相机和HDTV用关键器件［6］。APS的最大优点是在工作中勿需电荷逐级转移，回避了影响CCD性能的主要参数——电荷转移效率(CTE)。90年代初，美国的得莎仪表、喷气推进实验室/加州理工学院(JPL/Caltech)及日本的东芝、奥林巴斯、佳能等开发了多种APS的基本结构。目前最成熟的有CMOS APS和CMD，后者为电荷调制器件。APS的另一突出优点是勿需CCD那样高的驱动电压，使各种信号处理电路与摄像器件易实现单片集成，这是未来相机小型化、低成本的关键。目前成像阵列已取得突破性进展，1996年得莎的体电荷调制器件(BCMD)图像传感器阵列达到687(H)×499(V)，奥林巴斯光学公司的CMD图像传感器达到400万像素。贝尔实验室、MIT、JPL等相继报道了256×256、1 024×1 024位CMOS APS，比利时的IMEC用0.5 μm标准CMOS工艺研制了2 048×2 048位APS，单像素尺寸为7.5 μm×7.5 μm，由三个晶体管和一个光电二极管构成。把时钟电路、A/D转换器、输出放大器等与传感阵列集成在单片衬底上的研究也在同时进行。 5 红外焦平面阵列(IRFPA) 作为第2代热成像技术核心的红外焦平面阵列组件，90年代开始进入军事和民品市场。在中波，3～5 μm PtSi IRFPA 640×480元以下组件用在前视红外成像仪(FLIR)和导引头中，512×512、256×256元组件在民用领域广为应用。由于PtSi工艺较成熟，100万像素以上的阵列有可能在下世纪最先成为与高清晰度电视兼容的红外热像仪，主要是用1 024×1 024以上的IRFPA。InSb IRFPA组件256×256元用于先进的短程空-空导弹，640×480元阵列将大量装备到美海军的F/A-18大黄蜂战斗机和V-22渔鹰式舰队的第2代FLIR。InSb第3代中波凝视红外传感器还将进入美海军的新型攻击潜艇和高空无人侦察机。InSb IRFPA的下一步计划是开发1 024×1 024元大面阵组件，用于下世纪的高分辨率热像仪。在8～14 μm的长波领域，目前HgCdTe材料仍以扫描式IRFPA组件应用为主，480×4元以下的扫描式系列组件仍是最成熟的产品。更大的阵列组件，960×4和128×128元凝视阵列组件是开发的重点；其次是寻求更好的材料生长技术，生长大型HgCdTe单晶，提高像元密度，改善均匀性，降低MCT探测器成本。 AlGaAs/GaAs多量子阱光电导红外探测器焦平面阵列是目前继MCT之后的又一种最有前途的长波红外组件，它虽然不及MCT的量子效率高，但其材料工艺成熟、成本低。美国的罗克韦尔公司、喷气推进实验室、马丁马丽埃塔、雷声公司等都已先后作出128×128和256×256元IRFPA为基础的像机，响应截止波长一般为9 μm，等效噪声温差为26 mK,640×480元的大型阵列也有所报道［7］。喷气推进实验室开发出8～15 μm超长波128×128元IRFPA和像机。此波段对处在中段的弹导导弹的冷目标探测非常有用，此时火箭发动机已熄火，辐射峰值波长处于8～15 μm的红外区。此外，量子阱IRFPA将成为下世纪初的重点开发器件。 因制冷器成本占普通热像仪成本的很大部分，无制冷红外焦平面阵列组件是降低红外热像仪成本的重要途径。目前开发的硅IR敏感二维焦平面和铁电材料探测器阵列IR焦平面是最先进的非制冷红外组件。由美国霍尼韦尔国际公司和得克萨斯仪表公司于80年代初开发，90年代初公开，后又向休斯等公司转让技术，两种结构的320×240元器件都达到实用水平［8］，其灵敏度在0.05 ℃以下。以这种器件为基础的红外相机已用于战场侦察、警察执法等领域，它还将用于武器夜间瞄准、汽车、飞机驾驶视觉增强等。在更广泛军事和民间应用有待于640×480元更大阵列器件的研制成功，这正是下一步开发的重点。除美国几家军工企业开发外，日本NEC和英国GEC-马可尼公司都分别报道了128×128、100×100元阵列组件。马可尼还与欧洲另外三家公司合作完成了采用256×128元探测器的像机设计。上述非制冷IRFPA组件可望使热像仪的价格降低两个数量级。 6 集成光学器件 集成光学器件正在向波导集成和光电子单片集成(OEIC)两个方面迅速发展。在以光波导为基础的集成光学领域，铌酸锂材料集成光学器件在技术上早已成熟，光调制器、耦合器、光开关、光耦合器以及各种专用芯片已广泛用于光信息传输和处理。以GaAs和InP为衬底的OEIC长、短波长收/发射机，1 Gb/s以下的中低速器件和4路短波长器件在光通信、光互连和光信息处理方面已达到实用化。面向下世纪的集成光学器件的发展趋势是高速、多功能、大规模集成化以及Ⅲ-Ⅴ族和硅材料化［9，10］。 6.1 集成光学器件 在铌酸锂波导集成器件大量实用化的同时，从90年代初集成光学材料开始转向GaAs,InP。采用Ⅲ-Ⅴ族材料有利于无源器件(波导、调制器、开关、合波器等)与有源器件(激光器、光电二极管探测器、放大器用晶体管等)进行单片集成，实现多功能大规模单片光电子集成电路。用硅基材料将使目前的大规模集成电路和计算机芯片实现光互连、提高响应速度、减少信号之间干扰和增加互连密度。 集成光学的第二个趋势是用量子阱技术开发光子集成电路(PIC)，如MQW LD和多量子阱电吸收调制器单片集成，这不仅解决了光源与分立调制器带来的发射机体积和内连问题，还可把更多的元器件作在一起，同样实现多功能单片集成。目前美、日及欧洲各国的公司的PIC发射机均达到实用水平，调制速率在20 Gb/s以内。 6.2 OEIC OEIC收/发机以高速化为主。90年代以来，HEMT在OEIC中获得广泛应用，发射机OEIC的调制速率已达到10 Gb/s，接收机OEIC的响应速率达到20 Gb/s。在多功能化方面，发射机除了光源加驱动电路外，还有调制器和光波复用电路等单片集成；接收机电路中，探测器、前放、光波导、光开关等已能作在同一衬底上。硅基激光器已达到室温下CW工作。日立公司已实现了激光器、光波导开关、光探测器的单片集成。目前国外OEIC的光电子元器件集成数量已达到上千个，其功能从光电转换、信号放大发展到调制、开关、分波、合波、功率分配、耦合等。 OEIC的另一发展趋向是多路发射和接收，长、短波收发机的开发主要集中于单片式多路发射或接收机。长波主要用于未来的多路传输，短波主要用于计算机和大型电子设备内外之间的光纤互连，GaAs收/发机OEIC已达到实用化。1.3 μm波长收/发机研制水平达到8～12路单片集成。 7 表面光电子器件与阵列 表面光电子器件及其阵列主要用于光信息处理。光信息处理技术从60年代作为实时图像处理技术开始研究，当时以采用全息照相的光联想存贮器和光相关运算器为主。进入80年代后，光信息处理用于光计算机重新崭露头角［11］，其根本原因是：(1)面向高度信息化的21世纪，各种图像、声音、符号等模糊信息，要求高速灵活的处理技术；(2)在神经网络和超级并列计算机中，具有空间并列和高密度布线能力的光电子技术日趋活跃，新型运算的计算技术取得进展；(3)化合物半导体光电子器件工艺进展神速，光电子技术应用不断深入，开发并列光运算和光存贮等器件的条件已经具备。在光计算中，将充分利用光子技术的空间并列能力、模拟信号处理能力、高密度布线能力以及图像直接处理能力等。 7.1 垂直腔表面发射激光器(VCSEL) VCSEL是一种微型F-P激光器，由约10 μm的垂直短腔和反射率为99%以上的下反射镜构成，有源层直径最小为2 μm，非常适合大面积二维阵列集成，并可望用于光互连与光计算机光源。美、日、德的著名大公司和大学都在大力研制这种器件。已报道的有4×4、8×8、16×16、32×32元单独寻址阵列。美国光电子公司前几年推出 0.85 μm GaAs 1～256线阵和8×8元面阵商品器件。其发展趋势一是降低工作电压和电流，二是从短波长移向长波长(1.3 μm)，三是开发独立寻址的大面积阵列，预计将来可实现数万至数十万个VCSEL的大面积单片集成。 7.2 自电光效应器件(SEED) SEED是利用MQW激发子能级的量子限制斯塔克效应(QCSE)形成的双稳态光开关。其基本结构是在p-AlGaAs和n-AlGaAs层之间生长不掺杂AlGaAs/GaAs MQW层，最后形成类似PIN光电二极管的结构形式。2个SEED串联的对称式(S-SEED)结构是目前最普通的双稳态工作方式。S-SEED是一种在电路上串联、在几何结构上并联的结构，两个互为负载电阻。如果两个SEED同时被光照射，被照功率大的呈“开”状态，功率小的呈“关”状态。目前2×2～16×16元阵列已商品化。研制水平为128×64、256×128元。 7.3 灵敏度可变的光探测器(VSPD) VSPD是具备空间光调制、光探测、光贮存三种功能的新型功能器件，其结构是在GaAs薄膜上形成铝金属的MSM结构。当光照射到VSPD时，在耗尽层激发的电子与空穴就产生漂移电流。电流随着加到脊形电极的控制电压的增加而增加，探测灵敏度可由外部电压来控制，具有空间调制功能。 如果在照射控制光的同时在脊形电极上加上控制电压以控制光功率和控制电压的乘积。作为模拟信号以接收器件探测灵敏度的形式存贮在器件中，存贮的信息通过照射信号光能够读出来。VSPD是光神经芯片和人工视网膜芯片的基础器件。日本三菱电子公司的64×64元阵列和128×128元二维阵列已用于光人工视网膜芯片制作，完成了模拟图像识别试验。如果将器件尺寸作到几个微米，1 cm2面积晶片衬底可制作出一百万到一亿个器件。 |
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