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《北京邮电大学》 2007年
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InP基HBT及单片集成光接收机前端的理论与实验研究

崔海林  
【摘要】: 本论文的工作是围绕任晓敏教授承担的教育部高等学校博士学科点专项科研基金“基于RCE光探测器和HBT的单片集成(OEIC),高速光接收模块”(项目编号:20020013010)、任晓敏教授为首席科学家的国家重点基础研究发展计划(973计划)项目“新一代通信光电子集成器件及光纤的重要结构工艺创新与基础研究”(项目编号:2003CB314900)等项目展开的。 当前,随着WDM技术的迅速发展、终端客户的迅猛增加及对带宽需求的不断增大,光纤通信正向以智能化、集成化、低成本和高可靠性的新一代光通信网络演进。光电集成器件较之分立封装的光电组件具有尺寸小、光电连接产生的寄生效应低、成本低、性能优越和可靠性高等诸多优点,满足了光通信进一步发展的要求,因此成为全世界光通信和光电子领域科学家关注的前沿研究热点和重大课题。 InP基异质结双极晶体管(HBT)是光电集成器件必不可少的组成元素,在光纤通信及微波等领域具有极其广阔的应用前景,因而深入系统地研究InP基HBT器件具有极其重要的意义。 在任晓敏教授的精心指导下,结合相关项目,作者就InP基HBT及单片集成光接收机的前端部分这两方面展开了深入细致的研究工作,并取得以下研究成果: 1.从材料物理特性出发,分析了HBT的物理结构、性能参数。推导出各个参量的表达式,建立了HBT物理模型。研究了在不同偏置条件下,InP基HBT各主要物理参量的变化关系。提出了InP基HBT设计的一整套优化方案。 2.对适用于单片集成的DHBT(双异质结双极晶体管)的能带结构与结电流进行分析和研究。首次提出了一种新型复合集电区结构,较好地解决了SHBT(单异质结双极晶体管)反向击穿电压低,DHBT电子堆积且与PIN探测器(PIN-PD)无法外延共享的问题。同时,该结构具有外延层结构简单,集电区漂移速率高等优点。 3.针对本实验室的工艺线,完成了2μmInP基HBT及集成光接收机前端工艺条件的摸索与优化。完成了分立器件及集成器件外延结构的设计与优化、版图的设计与优化。 4.成功研制了分立InP基HBT、PIN探测器及NiCr电阻。构建了器件的测试系统,测试了分立器件的直流与高频特性。其中2μm工艺的InP基HBT,测得开启电压为0.43V、击穿电压大于2V、直流增益达到90倍、截止频率达到30GHz。在台面面积为22×22μm~2的情况下,PIN探测器3dB带宽达到15GHz。NiCr电阻的方阻值为100Ω。 5.建立了HBT的大信号与小信号SPICE电路模型以及PIN探测器的高频模型。针对本实验室工艺条件下研制的InP基HBT,采用直接提取法完成了HBT的SPICE参数的提取。利用提取的参数建立了HBT及PIN探测器的电路模型。模型的直流与高频的仿真结果与实际器件的直流与高频的测试结果较好得符合。说明提取的参数及建立的模型较为准确。 6.利用建立的HBT及PIN探测器的模型设计了多种形式的前端放大电路。使用高频电路仿真软件对电路进行直流及高频的仿真,根据仿真结果对电路形式进行优化与对比,选择出性能优异、结构相对简单的电路形式,为单片集成光接收机前端的设计与制备提供支持。 7.成功研制出PIN-PD+HBT形式单片集成光接收机前端。探测器台面面积为22×22μm~2,HBT采用3μm工艺,NiCr电阻的方阻值为100Ω,放大电路形式采用跨阻反馈单极共射加输出缓冲电路。在片测试时,探测器加2.5V反向偏压,电路加2V偏压的条件下,测得电路的3dB带宽达到3GHz,跨阻放大倍数达到800。 8.首次提出了一种单片集成光接收机前端的改进方案:RCE-PD+HBT结构的单片集成光接收机前端。此种集成方式有效地解决了共享外延层设计的折衷问题。可以在保证HBT高频性能的同时,显著提高探测器的量子效率。分析了RCE-PD+HBT单片集成光接收机前端的性能,并对这种集成器件的制备与测试进行了初步的尝试。
【学位授予单位】:北京邮电大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TN322.8;TN256

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