基于国内的材料生产和半导体工艺条件,研制了10 Gb/s光电集成(OEIC)光接收机前端,并采用耗尽型赝配高电子迁移晶体管(PHEMT)设计并实现了限幅放大器。光接收机前端组成形式为金属-半导体-金属(MSM)光探测器和电流模跨阻放大器,借助模拟软件SILVACO建立并优化了器件模型,探测器光敏面50 μm×50 μm,带宽超过10 GHz,电容约3 fF/μm。研究并改进了腐蚀自停止工艺并实际应用于OEIC器件制作,芯片面积为1511 μm×666 μm。限幅放大器采用无源电感扩展带宽,并借助三维电磁仿真软件HFSS进行模拟仿真。限幅放大器芯片面积为1950 μm×1910 μm,在3.125 Gb/s传输速率下,分别输入信号幅度为10和500 mV,可以得到500 mV恒定输出摆幅。

基于0.5μmGaAs PHEMT标准工艺研制了850nm单片集成光接收机前端,集成方式为PIN光探测器和跨阻放大器。论文依据已发表的文献数据为基础并借助SILVACO公司的模拟软件建立探测器模型,实验结果表明,模型和实测结果对比有较好的一致性。光接收机最高工作速率5Gb/s,其中,探测器光敏面直径50μm,电容0.51pF,暗电流小于30nA。跨阻放大器-3dB带宽接近10GHz,跨阻增益约43dBΩ,最小等效输入噪声电流密度约为17.6pA/Hz^1/2。

将激光微细加工“直接写入”、“低温处理”的优势,应用于单片光电集成电路(OEIC)的制作,有利于解决其中的光电兼容问题。详细介绍了本课题组多年来在激光微细加工制作领域方面所取得的进展,完善了实验系统,包括硬件平台的搭建和改进、软件的设计,并最终形成了以计算机为核心的集光机电为一体的自动控制系统,减少了由于人为因素的影响而带来的实验误差,为激光微细加工制作出性能优越的器件创造了前提条件。同时对激光微细加工中的温度这一关键工艺参数进行了大量的理论分析和实验研究,主要包括温度的测量、温度变化规律的分析以及由此对温度参数进行控制的理论分析和研究,取得了进展,提高了激光微细加工的精度并已实际应用于InGaAs/InP平面型PIN光探测器的制作。

利用辐射测温系统进行温度测量时,所测温度的准确性及分布细节会受多种因素的影响,使得实验测得的温度分布远远低于实际值,为了提高温度测量的准确性,提出了一种估计真实温度分布的新方法.这种方法主要包括:将原有探测器更改为带单模尾纤式探测器、减小光接收面面积、将原有的透镜更改为红外消像差透镜,最后利用图像复原技术中的-Lucy-Richardson算法求出最佳真实温度分布估计.其中前4个步骤有效的提高了测温分布细节,实验测得微小面元温度分布半宽值仅21μm,远远小于之前测得的半宽值;Lucy-Richardson算法则将温度分布中被点扩展函数卷积掉的高温部分复原回来,实验测得微小面元温度分布在复原后温度最高值高出复原前最高值近100℃.实验证明这种方法有效的提高了测温准确性.

激光诱导扩散中,当入射激光光强为高斯分布甚至均匀分布时,微小扩散区的温度分布不均匀.由于扩散系数是温度的函数,必将导致扩散后杂质浓度分布的均匀性较差,无法制作出高性能的p-n结.提出采用多次激光诱导扩散的积分效应来实现杂质浓度分布的均匀化整形.对于InP衬底的CO2激光诱导Zn扩散,利用温度闭环测控系统测得的基片表面热斑温度场分布,分析计算了两次激光诱导扩散重叠区域的浓度分布积分效应.在此基础上模拟计算出,用双次曝光积分效应做杂质浓度分布的均匀化整形时,基片上两次激光照射位置的最佳间隔为20 μm.这为改进激光诱导扩散工艺,用多次曝光实现面均匀的杂质浓度分布奠定了理论基础.

提出了一种研究湿法腐蚀进程的新方法——红外热像法。在湿法腐蚀中,金属或半导体基片浸泡在化学试剂中,由于化学能的作用,会在溶剂中产生热能,从而发出红外辐射,利用红外热像仪,将探测到的红外辐射信号送至计算机进行处理,得到热像图,从而可以对湿法腐蚀的进程进行分析。理论分析和实验结果都表明,红外热像法可以直观地观测到湿法腐蚀时显著的热扩散过程,从而对湿法腐蚀进程的监测、控制具有指导意义,同时也是红外技术应用的扩展。

介绍了杂质Zn在InP中的两种扩散机制,间隙-替代机制和Kick-out机制。InP为n型时,扩散机制为间隙-替代式;InP为p型时,扩散机制为Kick-out式。重点介绍了三种不同模型,解释Zn在InP中通过间隙－替代机制进行扩散时,空穴浓度与Zn浓度不同的原因,并评价了三种模型。

采用激光微细加工技术来制作单片集成光接收机的探测器,在制作过程中,用固态杂质源10.6 μm激光诱导Zn扩散工艺来进行探测器的p 区掺杂.制作出平面型顶部入射的InGaAs/InP PIN光探测器, 响应度为0.21A/W.分析了激光诱导扩散中影响探测器性能的因素,因此提出了扩散温度自动控制、扩散区温度分布均匀化及激光焦斑与扩散区精确对准等相应的改进方法.

异质结PIN光探测器可分为单异质结光探测器(SHPD)和双异质结光探测器(DHPD),二者在量子效率、频率响应和暗电流方面存在差异.当SHPD光敏面半径为10(m且P区厚度与电子扩散长度之比小于0.2时,其量子效率减小的幅度小于0.32%,带宽增加约0～4%;对于由体效应决定的暗电流,SHPD略优.由此得到当光敏面积较小和P区厚度较薄时,SHPD与DHPD性能相当的结论,为高性能宽带光纤网高速光探测器的设计提供了依据.

在半导体激光诱导扩散实验中,用连续波CO2 10.6 μm激光聚焦后照射基片表面。为实现局部区域的选择扩散,激光光斑半径仅数十微米。要使曝光区温度达到扩散实验要求,必须使曝光区功率密度很高。另一方面,Si、InP等半导体材料对10.6 μm波长激光的吸收系数随温度的升高而增大,这导致实验时容易产生热致破坏,损伤基片。在分析热致破坏的产生机理后,提出了在聚焦激光束照射下,曝光区温度的数值计算方法。计算结果表明,在半导体基片初始温度为室温时,以恒定功率的激光束照射基片,曝光区温度不能稳定在扩散试验需要的温度范围。在此基础上,提出了预热基片及对曝光区温度进行实时控制等抑制热致破坏的方法,有效地克服了这一困难。这对于用激光微细加工制作出高性能的单片光电集成电路(OEICs)器件有重要意义。