硅基光电子学研究进展与趋势

近年来硅基光电子材料和器件受到高度的重视。利用外延生长和键合技术成功研制出硅基应变赝衬底、GexSi1-x/Si量子阱、高密度锗量子点、硅基InGaAsP/Si异质结,这些进展为硅基光电子器件提供了坚实的材料基础。同CMOS工艺相结合,实现了硅量子点1.17μm的受激发射,研制出硅基Raman激光器、1.55μm混合型激光器、高灵敏度的Si/Ge探测器、谐振腔增强型的SiGe光电二极管、调制频率30GHz的SOICMOS光学调制器和16×16的SOI光开关阵列等。硅光电子学将在光通信、光计算等领域获得重要应用。本文综述了国内外硅基光电子材料和器件的进展、我们的研究结果和硅基光电子学的发展趋势。

硅基光电子与微电子单片集成研究进展

硅基光电子具有与CMOS工艺兼容,借助成熟的微电子加工工艺平台可以实现大规模批量生产,具有低成本、高集成度、高可靠性的优势。通过CMOS工艺可以实现硅基光电子和微电子的单片集成,发挥光电子在信息高速传输和微电子在信息高效处理的优势,充分实现微电子与光电子的融合与取长补短,实现性能更优的光电集成芯片。介绍了国内外硅基光电子器件与集成芯片的研究进展,重点介绍了本课题组在硅基光电子与微电子集成方向的研究进展,包括硅基激光器、硅基光调制器、硅基发光器件与控制电路单片集成、硅基光电探测器与接收电路单片集成、硅基微环滤波器与温控电路单片集成、单片集成硅光收发芯片等。

采用绝缘体上的半导体技术制备集成的多模干涉型光耦合器和光开关(英文)

在光学系统中,SOI(绝缘体上的半导体)上制备集成的MMI(多模干涉)型光耦合器已成为一种愈来愈引人注目的无源器件.由于Si和SiO2 之间具有大的折射率差,在SOI波导中可以采用SiO2 薄膜( <1.0 μm)作限制层,这与超大规模集成电路工艺相兼容.描述了采用SOI技术制备集成的MMI型光耦合器和光开关的设计和制造结果.业已证实,2× 2MMI MZI(多模干涉 麦赫 曾德干涉)型热光开关的开关时间小于 2 0 μs.

一种基于半导体照明的无线通信系统

利用15W大功率白光发光二极管(LED)作为通信光源,研制出一种基于半导体照明的无线通信演示系统,该系统具有可用带宽高、保密性好、无电磁辐射等优点,可以在进行室内照明的同时实现文本、图像和声音等数据的传送。该系统采用开关键控(OOK)调制方式,在波特率为115.2kbps时支持最远为3.2m的通信距离,接收信号的误码率<10^(-6)。

影响半导体量子点生长因素的分析

生长高面密度和尺寸均匀的量子点是半导体量子点实用化的关键。本文在已有研究工作的基础上 ,从材料本身的特性和生长量子点时的外界条件两方面总结了影响量子点生长的各种因素 。

基于扣除法的半导体激光器高频响应仿真新方法

基于激光器速率方程和等效电路模型对激光器高频响应特性进行分析,提出了一种采用激光器频率响应扣除法提取有源区本征响应和预测激光器整体频率响应的仿真新方法.用该方法对实验样品的高频调制响应进行了仿真,仿真结果与实际测量数据相吻合.

现代微光电子封装中的倒装焊技术

结合我们设计制作的倒装焊光电子器件—智能像素面阵 ,对倒装焊的工艺过程作了简要的介绍。该面阵采用铟做凸点材料 ,制作了输入输出数达 6 4× 6 4的凸点电极阵列 ,并采用回流焊的方式 ,将光电调制器面阵与对应的处理电路芯片对准后加热回流实现焊接 ,形成输入输出引线间距只有 80

Parity-time对称性对电注入半导体激光器的模式控制

非厄米的描述对于开放系统有重要意义,满足parity-time对称性的哈密顿量,其参数在一定范围内可以使能量具有实的本征值.本文通过模拟,研究了损耗大小以及结构对称性对条形波导中的parity-time对称性的影响,并通过实验发现了电注入条件下由parity-time对称破缺导致的脊条波导模式间隔加倍、模式数减半的现象.

载流子寿命对Si基光电子器件性能的影响

研究了载流子寿命对SOI有源光波导器件工作性能的限制及影响,分析了制约载流子寿命减小的若干因素,综述了采用合理设计减小波导截面尺寸参数、脊区内植入He离子、加入pin结构施加反向偏压等几种有效减少载流子寿命的方法,并给出了它们各自的理论基础和文献报道的理论模拟与实验结果。经过对各种方法的利弊进行分析比较,作者认为在提高光电子器件性能的研究中,采用减小波导截面尺寸参数的方法要同时兼顾传输损耗的变化;采用离子植入法可以在不改变波导尺寸的情况下减小载流子的寿命,但引入了附加损耗且与CMOS工艺不相兼容;而外加pin结构的方法不适用于已经存在电学结构的器件。

硅基1.55μm可调谐共振腔窄带光电探测器的研究

制作了一种低成本硅基1.55μm可调谐共振腔增强型探测器.首次获得硅基长波长可调谐共振腔探测器的窄带响应,共振峰量子效率达44%,峰值半高宽为12.5nm,调谐范围14.5nm,并且获得1.8GHz的高频响应.本制作工艺不复杂,成本低,有望用于工业生产.

硅基锗PIN光电探测器的研究进展

随着硅基锗薄膜外延技术的突破,基于硅基锗材料的光电子器件快速发展,其中以硅基锗光电探测器最为突出。由于锗可以实现近红外通信波段的光吸收,而且完全兼容硅的CMOS工艺,硅基锗探测器几乎成为硅基光探测的唯一选择。文章主要介绍了面入射和波导耦合两类常见硅基锗光电探测器的研究进展,包括典型的器件结构,以及提升响应度和带宽等性能的主要途径。

新型硅基IV族合金材料生长及光电器件研究进展(特邀)

硅基IV族锗锡和锗铅合金材料带隙随组分可调,并可转变成直接带隙半导体材料,是研制硅基红外探测和发光器件的理想材料。本文首先介绍锗锡和锗铅材料外延生长工作,然后对锗锡光电器件的研究进展进行回顾和讨论。其中,随着锗锡合金中锡组分增加,锗锡光电探测器往高响应度和长探测截止波长方向发展;锗锡激光器的研究则集中在降低激射阈值、提高激射温度和电泵浦方面。本文还对锗铅材料和光电器件的研究进展进行简要介绍和展望。随着硅基高效光源和探测器研究的不断深入,IV族合金材料在硅基红外光电集成领域将继续展现重要的应用价值。

单片集成式主振荡功率放大器研究进展

单片集成式主振荡功率放大器(MOPA)具有体积小、功率大、光束质量高等优势,通过集成布拉格光栅,还能够实现窄线宽和动态单模,在倍频、泵浦、光通信和传感等领域具有重要应用价值,是近年来半导体光电子器件的研究热点。本文梳理了单片集成式MOPA的主流结构,包括锥形、脊型、布拉格光栅型和三段式MOPA,以各自的工作原理和性能特征为出发点,介绍其主要的研究方向,并结合它们各自面临的问题介绍最新的发展趋势。针对单片集成式MOPA中普遍存在的高功率下光束质量退化的问题,梳理了近年在外延层结构、腔面光学薄膜和电极设置等方面的优化设计,重点总结了单片集成式MOPA在提高光束质量及高功率、容线宽及高亮度方面的重要进展。围绕不同领域的应用需求,整理了具备高功率、窄线宽、高光束质量和高亮度等性能特征的单片集成式MOPA的研究进展,最后展望了单片集成式MOPA的发展趋势。

高速、大饱和输出光电流1.55μm波段光电探测器的研究进展及其在光控相控阵雷达中的应用

光控相控阵雷达相对于传统机械式雷达和相控阵雷达,具有更加优异的性能,可适应未来国际形势和军事上的发展需求。光电探测器作为光控相控阵雷达上的关键组件,在整个雷达系统中起着非常重要的作用,直接决定了输出微波信号的质量和雷达探测的最终效果。本文从光控相控阵雷达的基本技术需求出发分析了1.55μm波段光电探测器的必要性和重要性,并且综述了当今国际国内高速、大饱和输出光电流光电探测器的现状,指出了其未来的发展方向。

GaAs基量子阱谐振腔增强型光电探测器特性研究

通过对谐振腔增强型(RCE)光电探测器的理论分析和实验测试结果,证明对应不同光束入射角度,RCE光电探测器的模式波长按一定规律可调谐.并给出当入射角度变化10°～60°,模式调谐范围约为40nm,而谐振波长处的量子效率峰值及半高宽FWHM的变化与材料吸收系数紧密相关.

InGaAs/InP盖革模式雪崩光电二极管阵列性能一致性研究

InGaAs/InP盖革模式雪崩光电二极管(APD)阵列的性能与阵列片内均匀性密切相关。阵列面元的主要结构参数有倍增区厚度、电荷层厚度和掺杂浓度、吸收区的厚度以及器件工作的过偏压。它们的不一致性不仅会造成器件本身性能的差异,还为后续的读出电路带来了巨大的挑战。通过研究APD结构参数变化对其击穿电压(V_(break))、暗计数率(DCR)和单光子探测效率(PDE)的影响,将APD阵列面元间击穿电压波动控制在±1V以内,使暗计数率和光探测效率的波动小于10%,从而得到不同温度下各个结构参数的最大允许波动值,确定了每个温度下制约器件性能的主要因素,为大规模、高性能盖革模式雪崩光电二极管阵列的材料生长和工艺制备提供了理论依据。

基于石墨烯的半导体光电器件研究进展

石墨烯自从被发现以来,由于其零带隙、低电导率、常温下的高电子迁移率及量子霍尔效应和独特的光吸收等优良特性,引发了世界各国科研人员的重视,研究人员对其物理性质及应用的研究越来越多并且进展迅速.本文以光纤通信用光电器件中的探测器、调制器为主,综述了石墨烯在光电探测器、调制器以及超快锁模激光器和用于发光二级管、触摸屏透明导电薄膜等方面的应用.

与CMOS工艺兼容的硅高速光电探测器模拟与设计

用器件模拟的方法 ,设计了一种与常规 CMOS工艺兼容的硅高速光电探测器 ,该探测器可与 CMOS接收机电路单片集成 ,对该探测器进行了器件模拟研究 ,给出了该探测器的电路模型 .通过 MOSIS(MOS im plem entationsupport project) 0 .35μm COMS工艺制做了该探测器 ,实际测试了该器件的频率响应和波长响应 ,探测器频率响应在 1GHz以上 ,峰值波长响应在 0 .6 9μm.

SOI波导弯曲损耗改善方法的研究

采用有效折射率方法EIM (EffectiveIndexMethod)和二维束传播算法 (2D BPM)对SOI(Silicon on insulator)波导弯曲损耗的改善方法进行了模拟分析.模拟发现,在波导连接处引入偏移量和在波导外侧刻槽等两种不同方法都能有效减小弯曲损耗,并且后者的效果更明显.同时通过实验获得了验证.对R=16mm、横向位移为 70μm的弯曲波导,通过刻槽方法将插入损耗降低了 5dB,基本消除了弯曲所带来的附加损耗.

PECVD提高SiO_2薄膜致密性的研究

为了在高功率980 nm激光器工艺中制备高质量、均匀性好、致密性高的SiO2薄膜,本文研究了PECVD的反应压强、射频功率、SiH4与N2O流量比对SiO2薄膜的沉积速率和BOE腐蚀速率的影响。实验采用BOE腐蚀速率来反映SiO2薄膜的致密性,采用傅里叶红外光谱仪得到SiO2薄膜的红外吸收特性,采用原子力显微镜(AFM)观察SiO2薄膜的表面形貌。通过优化各工艺参数最终获得了BOE腐蚀速率为9.18 nm/s的SiO2薄膜。