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SOI光电子集成光电子集成技术技术v1）SOIv2）光电子集成电路）光电子集成电路v3）SOI集成光电子器件集成光电子器件vSOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅）技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层氧化层。v通过在绝缘体上形成半导体薄膜，SOI材料具有了体硅所无法比拟的优点：可以实现集成电路中元器件的介质隔离，彻底消除了体硅CMOS电路中的寄生闩锁效应；采用这种材料制成的集成电路还具有寄生电容小、集成密度高、速度快、工艺简单、短沟道效应小及特别适用于低压低功耗电路等优势。v因此可以说SOI将有可能成为深亚微米的低压、低功耗集成电路的主流技术。此外，SOI材料还被用来制造MEMS光开关，用于微机械加工技术。v结构功能结构功能v通常根据在绝缘体上的硅膜厚度将SOI分成薄膜全耗尽FD（Fully Depleted）结构和厚膜部分耗尽PD（Partially Depleted）结构。由于SOI的介质隔离，制作在厚膜SOI结构上的器件正、背界面的耗尽层之间不互相影响，在它们中间存在一中性体区，这一中性体区的存在使得硅体处于电学浮空状态，产生了两个明显的寄生效应，一个是翘曲效应即Kink 效应，另一个是器件源漏之间形成的基极开路NPN寄生效应。v结构功能结构功能v如果将这一中性区经过一体接触接地，则厚膜器件工作特性便和体硅器件特性几乎完全相同。而基于薄膜SOI结构的器件由于硅膜的全部耗尽完全消除翘曲效应，且这类器件具有低电场、高跨导、良好的短沟道特性和接近理想的亚阈值斜率等优点。因此薄膜全耗尽FDSOI是非常有前景的SOI结构。vSOI的优势的优势vSOI 在器件性能上具有以下优点：v1)减小了寄生电容，提高了运行速度。与体硅材料相比，SOI 器件的运行速度提高了20-35%；v2)具有更低的功耗。由于减少了寄生电容，降低了漏电，SOI 器件功耗可减小35-70%；vSOI的优势的优势v3)消除了闩锁效应；v4)抑制了衬底的脉冲电流干扰，减少了软错误的发生；v5)与现有硅工艺兼容，可减少 13-20%的工序。v v1）SOIv2）光电子集成电路）光电子集成电路v3）SOI集成光电子器件集成光电子器件光电子集成电路（光电子集成电路（optoelectronic integrated circuit，简称，简称OEIC），是把光），是把光器件和电子器件集成在同一基片上的集成电器件和电子器件集成在同一基片上的集成电路。路。v光电子集成电路按功能按功能分主要有电光发射集电光发射集成电路成电路和光电接收集成电路光电接收集成电路。前者是由电光驱动电路、有源光发射器件、导波光路、光隔离器、光调制器和光开关等组成；后者是由光滤波器、光放大器、光-电转换器以及相应的接收电路和器件集合而成。光电子集成电路（光电子集成电路（optoelectronic integrated circuit，简称，简称OEIC），是把光器件和电子器件集），是把光器件和电子器件集成在同一基片上的集成电路。成在同一基片上的集成电路。v光电子集成电路从结构上结构上可分为单片集成型单片集成型和混合集成型混合集成型两类。前者是把光和电功能的器件都集成在单片上；后者则侧重光学元件的集成，然后再引入相应电路的电子器件。光电子集成电路（光电子集成电路（optoelectronic integrated circuit，简称，简称OEIC），是把光器件和电子器件集），是把光器件和电子器件集成在同一基片上的集成电路。成在同一基片上的集成电路。v光电子集成电路的优点是器件之间拼接紧凑，既能减弱因互连效应引起的响应延迟和噪声，从而提高传递信息的容量和高保真度，又能使器件微型化，便于信息工程的应用。vSi基光电子集成是集成电路研究的一个重要方向，由于硅加工工艺和CMOS电路工艺极其成熟，硅基集成光学的研究主要集中在三个方面：v（1）SiO2光波导回路；v（2）SiGe（锗硅合金）/Si光波导器件；v（3）SOI光波导器件。vSiGeSiGe（锗硅合金）（锗硅合金）/Si/Si和和SOISOI光波导器件都与光波导器件都与CMOSCMOS电路工艺兼容电路工艺兼容vSiO2光波导回路利用在SiO2中掺杂实现波导结构，由于它与光纤的结构相似，且波导损耗小，因而被广泛应用。然而SiO2光波导技术与Si的集成电路工艺不完全兼容，限制了SiO2光波导在光电集成方面的应用。vSiGe（锗硅合金）（锗硅合金）/Si波导中波导中SiGe和和Si晶格晶格失配，波导层失配，波导层SiGe不可能生长的太厚，因不可能生长的太厚，因此此SiGe/Si光波导同光纤的耦合效率很低。光波导同光纤的耦合效率很低。vSOI材料的制作工艺更成熟，顶层材料的制作工艺更成熟，顶层Si膜的厚膜的厚度是不受限制的，可制作大截面尺度的度是不受限制的，可制作大截面尺度的SOI光波导，从而降低耦合损耗。光波导，从而降低耦合损耗。vSOI材料用于光波导器件有许多优越性：1、与Si工艺兼容，便于电子和光子集成；2、能制作三维结构，可大规模集成；3、损耗小，具有良好的波导特性；4、用于光互连，光学回路的运算速度比电子回路快104倍；5、抗辐射，能在空间或军事上应用。v1 1）SOISOIv2 2）光电子集成电路）光电子集成电路v3 3）SOISOI集成光电子器件集成光电子器件vSOI材料被称为二十一世纪的微电子材料，同时由于集成SOI光电子工艺与标准CMOS工艺完全兼容，SOI技术为实现低成本高集成度的光电子回路提供了可能，因此基于SOI的集成光电子器件一直是集成光学中的一个重要组成部分。vSOI集成光电子器件的发展以及一些研究进展：SOI光波导，SOI光波导耦合器，SOI光波导开关，相位阵列波导光栅（PAWG）等。SOI光波导v基本结构如图，有平面和条形两种。条形结构中研究最多的是脊形结构，脊形波导可以实现大截面尺寸的单模SOI波导，大大减小波导与光纤的耦合损耗。v弯曲波导在集成光学中也非常重要。为减少器件尺寸，总希望弯曲波导的弯曲半径尽量小。通常波导弯曲会导致光场向衬底泄露，和波导的侧向辐射损耗。采用锥形结构可减少弯曲波导的最小弯曲半径。v集成光学中的一种重要单元器件v传统的波导耦合器有Y分支器和定向耦合器SOI光波导耦合器v多模波导干涉耦合器（Multimode Interference Coupler,MMI耦合器）近年来受到重视，广泛应用于集成光学中。其优点：器件结构紧凑，制作容差大，输出功率均衡，光功率损耗低。MMI尤其适合于分支数比较大的分束器。SOI光波导耦合器vMMI的工作原理是基于多模波导中的自映像效应。vMMI耦合器由输入输出单模波导和多模波导三个部分组成。v三种结构形式：1）对称干涉SI-MMI 2）受限干涉RI-MMI 3）普通干涉GI-MMISOI光波导开关v光波导开关主要是通过对光波导折射率的控制来实现。v对于SOI光波导，可以利用硅的热光效应实现对光场的调制和开关功能。缺点：热光效应不可避免的有控制响应时间较长，开关速度较慢的缺点。相比而言，电光开关具有更高的开关速度。vSOI脊形光波导中，采用图示PIN结构，利用Si的等离子色散效应可以实现电注入SOI光波导开关。v光波导开关主要有：定向耦合器开关，马赫-曾德干涉仪开关，全内反射开关以及数字光开关等。相位阵列波导光栅v相位阵列波导光栅是波分复用（WDM）通讯系统的一种关键器件。v对于SOI波导器件，波导层为硅，不存在材料的双折射和内应力，因此SOI波导器件的偏振敏感性主要由波导的结构决定。采用深刻蚀的脊形结构，可最大程度的减小器件的偏振敏感性。谢谢！