5Gb/s GaAs MSM/PHEMT单片光电子集成（OEIC）接收机前端

摘要

单片光电子集成电路(OEIC：Optoelectronic Integrated Circuits)将激光器、光探测器等光电子器件与驱动电路、前置放大器、限幅放大器以及时钟与数据恢复电路等电子器件/电路部分或完整集成在同一衬底之上，以最大程度地减小互联寄生参数对集成单元整体性能的不利影响，并有利于提高其可靠性及实现小型化、轻量化的发展目标，在长距离大容量光纤通信、自由空间光通信、光接入网、大规模并行光学互联、光开关、光存储、星载光电系统、微小型光电传感等领域具有广泛的用途。美国、德国、日本等发达国家在单片OEIC领域的研究十分活跃，并且成就斐然，部分成果已实现商业化。 鉴于单片OEIC良好的应用前景以及国内在这个领域与国外先进水平的巨大差距，我们开展了单片OEIC光接收机前端的研究工作，并取得了若干创新性成果，提高了国内在这个领域的研究水平，为今后开发面向实用的高性能单片OEIC器件奠定了坚实的基础。主要成果及相关研究内容如下： (1)研制出国内首个5Gb/s级单片OEIC光接收机前端芯片。该芯片由基于砷化镓(GaAs)衬底的金属-半导体-金属(MSM)光探测器和赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)分布式前置放大器组成，从材料外延到工艺流水均实现了国产化，探索出一条适合国内条件的单片OEIC技术途径； (2)解决了单片OEIC器件研制中的关键性技术难题-台面工艺与常规GaAsPHEMT单片微波集成电路(MMIC)工艺的兼容性问题，包括采用反应离子刻蚀(RIE)形成高度精确且工作面光滑平整的MSM光探测器台面的工艺、插指电极金属化及剥离工艺、台面与平面器件互连工艺等： (3)研制出国内首个基于0.5μm GaAs PHEMT技术的20GHz带宽分布式前置放大器芯片，带宽与PHEMT器件特征频率之比达2/3，最小噪声系数3.03dB，平均等效输入噪声电流密度14.6pA/Hz，输出1dB压缩功率13.7dBm，放大器10Gb/s工作状态良好； (4)重点研究了0.5/μm T型栅GaAs PHEMT工艺技术的关键环节-欧姆接触工艺和肖特基势垒工艺，流片得到性能优良的PHEMT器件：50MHz～26.5GHz范围内的小信号增益12～4dB，特征频率32GHz，最高振荡频率超过80GHz； (5)深入研究了PHEMT器件噪声性能，得出最小噪声系数Fmin等效噪声电导gn、最佳输入阻抗Zopl等参数与器件本征参数与寄生参数的关系，提出了通过改善欧姆接触工艺和优化材料结构设计等方法以进一步提升PHEMT器件低噪声性能，并在此基础上确定了PHEMT器件低噪声工作点，用于本次分布式前置放大电路设计，测试结果证明了上述噪声分析的有效性； (6)深入研究了MSM光探测器热电子发射模型，从理论上解释了GaAs MSM光探测器的基本工作模式，得出三点重要结论：①器件暗电流取决于金属-半导体接触界面的空穴势垒高度以及外加偏置条件；②光探测器工作速率受外加偏置影响较大，器件正常工作电压应位于平带电压与击穿电压之间；③平带电压由材料掺杂浓度和电极间距决定的特点具有重要意义； (7)对MSM光探测器在片测试结果进行了深入分析，得出低场暗电流为欧姆传导电流、高场暗电流为SiN介质Fowler-Nordhem隧穿电流的结论，初步解释了单片OEIC光接收机前端噪声偏大的原因，对于今后优化相关工艺条件，改善单片OEIC器件性能具有重要意义。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：缩略词

声明

第一章引言

1.1研究背景及意义

1.2单片OEIC研究进展

1.2.1单片OEIC光发射机

1.2.2单片OEIC光接收机

1.3课题来源及本论文的主要工作

1.3.1课题来源

1.3.2本论文的主要工作

第二章GaAs金属一半导体一金属光探测器

2.1 GaAs材料特性

2.2 MSM光探测器电流输运理论

2.2.1热电子发射理论

2.2.2 MSM光探测器的热电子发射模型

2.3响应度

2.4带宽

2.4.1本征电容

2.4.2渡越时间

2.5 SiN介质薄膜的电流传导机制

2.6 MSM光探测器设计及流片

2.6.1材料、结构及工艺设计

2.6.2台面形成工艺

2.6.3插指电极金属化及剥离工艺

2.6.4空气桥工艺

2.7 MSM光探测器性能测试

2.8本章小结

第三章GaAs PHEMT器件

3.1 PHEMT器件发展历程

3.2 PHEMT器件结构及工作模式

3.3 PHEMT器件工艺流程设计及流片

3.3.1工艺流程及版图

3.3.2关键工艺

3.4 PHEMT器件电学参数

3.4.1电学参数在片测试系统

3.4.2 I-V特性

3.4.3小信号交流特性

3.4.4噪声特性

3.6本章小结

第四章分布式前置放大器

4.1分布式前置放大器基本原理

4.2分布式前置放大器设计

4.2.1增益和带宽

4.2.2噪声

4.2.3时域性能

4.2.4版图设计及电磁场模拟

4.3分布式前置放大器工艺流程设计及流片

4.4性能测试

4.5本章小结

第五章单片OEIC光接收机前端

5.1单片OEIC光接收机前端设计

5.1.1单片OEIC光接收机前端结构

5.1.2噪声分析

5.1.3电路模拟

5.2单片OEIC光接收机前端工艺流程设计及流片

5.3单片OEIC光接收机前端性能测试

5.4本章小结

第六章结论

致 谢

参考文献

攻博期间取得的研究成果