随着当今信息技术(Information Technology,IT)跨入Tera-(10)时代,即每秒Tbit的传输速度、每秒Tbit的交换容量和每平方厘米Tbit的存储密度,光电子器件也正在演绎着一场新的革命,将大量的光电子器件连同相关的电路制作在同一基底的芯片上,实现光电集成电路(OptoElectronic IC,OEIC)意义上的SoC(System on Chip)成为科技发展的必然趋势。
OEIC的发展可以追溯到20世纪70年代,1978年第一个单片集成光发射机芯片研制成功。然而,从大规模、多功能集成的角度而言,可以与1971年发明的微处理器相对应的OEIC还没有出现;从广泛商业应用的角度而言,可以与20世纪80年代IC普及相对应的OEIC也还没有形成,图1-1比较了光电子与微电子发展史上的重要成果,起点分别为1962年半导体激光器诞生与1947年晶体管诞生。OEIC发展较为缓慢的原因是多方面的,其中主要原因之_是由于受到材料、结构、工艺等方面的种种制约和束缚,远不能像微电子集成那样随心所欲。因此OEIC的全面突破还面临着一系列困难,有待深入的探索和攻坚。
OEIC从类型上说可分为:混合集成、单片集成和准单片集成。所谓的混合集成就是指将高性能、属于不同功能模块的芯片通过光电连接器以分立器件的方式耦合在一起。混合集成的缺点是不易实现小型化以及有较高的寄生效应。单片集成是指在同一衬底上生长有源光器件、无源光器件及电子电路。单片集成可以减小器件的寄生效应和尺寸、提高器件的速率和成品率、降低器件成本。准单片集成是指采用晶片键合(wafer bonding)工艺或者倒装焊(flip-chip)工艺将事先在两种或多种衬底材料上成长完成的器件或结构
“贴”在一起,目前这种技术也方兴未艾。
单片光电集成(MOEIC,Mon01ithic opto—electronicintegrated circuit)是将分立的光电元件芯片和电路芯片(光、电元件)集成在同一衬底上,通过空气桥实现互联,可最大程度地减小互联寄生参数对器件整体性能的影响。无论是体积、性能、成本还是可靠性,MOEIC都具有很大优势,因而在通信、计算机、微小型光电传感以及光信息处理等民用和军事光电系统中都占有十分重要的地位。
第一次MOEIC的实验研究是美国加州理工学院的Yariv实验室在1978年至1979年报道的[1。2],该单片OEIC将一个AlGaAs/GaAs激光器和一个Gunn二极管和GaAs MESFET电路集成在GaAs衬底上。此后,MOEIC得到了迅猛的发展,研究内容主要集中于光接收机和光发射机。
趋势:
MOEIC经过三十年的发展,结构组成多样化,性能水平不断提高,在外延生长、器件设计和工艺等方面已经积累了丰富的经验。为满足现代科技在体积、可靠性、成本等方面更高的需求,MOEIC未来发展的趋势是光电系统或子系统的全单片集成和高速Si基MOEIC,这也是MOEIC研究的两大前沿热点。
由于现代科技的不断发展,仅有放大电路、探测器或激光器的简单MOEIC模块已难于满足需求,微小型光电传感、高速度大容量光电系统中的光电转换、光互联等现代科技在体积、可靠性等方面都有更苛刻的需求,进而希望MOEIC能集成更多的元件、具有更高的集成密度和更强的功能,最终将光电子器件、
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