微电子与光电子要点整理.docx

第一章目前的微电子制造技术可以分为四个方面： 双极型制造工艺、MOS制造工艺、Bi-CMOS制造 工艺和SOI制造工艺双极型工艺的优缺点：（1）缺点：双极型工艺过 程复杂、成本高、集成度低，在现在的超大规模集 成电路中已经很少单独使用2）优点：双极型 工艺速度快、较大的电流驱动能力等特点是CMOS 工艺所达不到的在某些情况下，作为CMOS工艺 的补充，双极型工艺仍然被少量地使用双极型三极管：是双极型工艺的典型器件，由两种 载流子参与导电，由两个pn结组成，是一种电流 控制电流源器件，分为PNP和NPN两种PN结隔离分为三种结构：（1）标准下埋集电极三极管（SBC）'a＞标准卜埋寒电棣SBC＞工艺（2）集电极扩散隔离三极管（CDI）B E C⑹集电祿扩散隔离（.CD1）工艺（3）三重扩散三极管（3D）R E(c) <3D)道耗尽型晶体管、P沟道耗尽型晶体管MOS场效应晶体管利用栅极电压的大小，来改变 半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的 大小P沟道MOS晶体管与N沟道MOS晶体管同时运用 到一个集成电路中就构成了 CMOS集成电路双阱工艺CMOS器件的结构示意图集成在同一芯片上的技术oBi-CMOS的制作工艺主 要分为两大类：（1） 低端Bi-CMOS工艺：以CMOS工艺为基础（2） 高端Bi-CMOS工艺：以双极型工艺为基础， 可进一步分为P阱Bi-CMOS工艺和双阱Bi-CMOS 工艺。

SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘层上覆硅）器件与体 硅器件相比，除了具备良好的抗辐射性能还具有以 下各项优点：（1）功耗低（2）工作速度快（3） 静电电容小，寄生电容小（4）可进一步提高集成 电路芯片的集成度、功能和可靠性，能在微功耗、 低电压、高温、高压等方面发挥它的优势（5）耐 高温环境SOI晶圆结构示意图典型的PN结隔离的双极型工艺流程复杂，总的工 序一般有40多道（9次光刻，5次隔离）MOS场效应晶体管是金属一氧化物一半导体场效 应晶体管的简称，它通过改变外加电压产生的电场 强度来控制其导电能力MOS晶体管是电压控制 元件，参与导电的只有一种载流子，因此称其为单 极型器件MOS晶体管可以分为增强型晶体管与 耗尽型晶体管两种根据沟道掺杂不同，又可分为 N沟道增强型晶体管、P沟道增强型晶体管、N沟SOI材料是在绝缘层上生长一层具有一定厚度的单 晶硅薄膜的材料该材料可实现完全的介质隔离， 与有PN结隔离的体硅相比，具有无闩锁、高速度、 低功耗、集成度高、耐高温等特点SOI材料性能 好，成本低，与体硅集成电路工艺完全兼容，它完 全可以继承体硅材料与体硅集成电路迄今所取得 的巨大成就，还具有自己独特的优势。

光发射器件：光发射的原理一般分为以下几种情 况：（1）能带间的跃迁（2）能带杂质能级间的跃迁（3）施主-受主对的跃迁（4）激子的跃迁（5） 缺陷中心的局域化能级间的越跃迁（6）跃迁元素（稀土元素）的多电子能级间的跃迁LED：发光二级管光接收器是利用光电转换现象，将光信号转换成电 信号的器件根据光接收器的原理不同，光接收器可分为光电导 器件、光电二极管光电晶体管这些光电接收器的 工作原理都利用了光电导效应和光生电动势效应， 根据光波长和频率响应频率的不同，其使用目的也 不同根据光生载流子的生成机理不同，光电导器件可分 为本证型和掺杂型两种光电导器件：利用半导体的光电导效应，将光信号 变化转换成电阻变化的器件称为光电导器件光波导器件可以分为二维光波导和三维光波导光 纤是光波导器件的一种真空技术：（1）定义：低于1个标准大气压的称 为真空2） 单位：Pa 1mmHg=1 托 1Pn=760 托=101325PaBar （巴）1mbar=100Pa（3） 分类：低真空105 ~ 102Pa中真空102 ~ 10-1 Pa 高真空 10t 〜10-5Pa 超高 真空 < 10 -5 PaMBE （分子数外延）工艺：整个生长过程需要在超 真空环境下进行，从加热的克努森池中产生的分子 束流在一个加热的单晶衬底上反应形成晶体。

MBE工艺优点（1）生长速率低（2）生长温度低（3）可以通过掩膜的方法对材料进行三维的控制 生长（4）可以在生长的整个前后过程对外延层进 行在位测量和分析（5）自动化控制MOCVD工艺的优点（1）可以通过精确控制气态 源的流量和通断时间来控制外延层的组分、掺杂浓 度、厚度等可以用于生长薄层和超薄层材料（2） 生长速度快，使用于批量生产（3）使用较灵活（4） 对真空度要求较低，反应室的结构较简单 氧化（1）干氧氧化（Si + O2 T SiO2 ）:致密性好，氧化速度慢，质量好致密性差，氧化速度快，质量差刻蚀（1）干法刻蚀：工艺灵活、刻蚀精度和可复 制性好，但工艺复杂（2）湿法刻蚀：工艺和设备较简单、刻蚀速度快、 生产效率高、应用比较广泛，但工艺很难控制 光刻步骤：基片准备、涂胶、前烘、曝光、显影、 后烘RTA rapid thermal anneal 快速热退火：在 1000°C 以上处理几秒钟微电子与光电子集成技术分为单片集成和混合集 成第二章代表Eg(eV)晶体类型禁带类型一代Si1.12金刚石间接带隙二代GaAs1.43闪锌矿直接带隙三代GaN3.3纤锌矿直接带隙电致发光方式是由电场（电流）激发载流子，将电 能直接转变为光能的过程，也称为场致发光。

电致 发光分为辐射跃迁和无辐射跃迁电子在从高能级 向低能级跃迁的过程中，必然释放出一定的能量 如果以发射光子的形式释放，则这种跃迁称为辐射 跃迁；反之，没有辐射光子的跃迁就称为无辐射跃 迁内 量 子 效 率单位时间内产生的光子数口 =内单位时间内注入的电子-空穴对数外 量 子 效 率单位时间内发射到器件外部的光子数门 =外 单位时间内注入的电子-空穴对数能级E2与E1之间的基本跃迁过程（a）自发辐射（2）湿氧氧化（Si + 2H O T SiO + H2 2 2■Ti反射镜极高的反射率Distributed Bragg Reflectors，DBR：分布布拉格反 射镜VCSEL的结构图（面发射型）（b）受激吸收-^UV*TF（C）受激辐射Laser-light Amphfiation by stimulated Emission of Radiation受激发射的光放大半导体发光二极管特点（1）无阀值特性，在很低 电流下就可以实现有效发光（2） P-I特性好，容 易进行信号调制 （3）热稳定性好，输出功率随 温度的变化较小（4）工作寿命长，可靠性高（5） 光谱线很宽PN双异质结二极管在正向偏置电压下禁带结构和 载流子浓度分布情况还E“ 4 _ AX/提高硅发光的方法：多孔硅、掺入稀土元素、SiGe超晶格和纳米硅多孔硅LED集成电路器件结构激光产生（半导体激光器产生相干辐射）条件：产 生激光的物质、粒子数反转分布、谐振腔。

异质结激光器分为单异质结和双异质结，双异质结 的作用是在垂直于结平面的方向（横向）上有效地 限制载流子和光子DFB-LD分布反馈激光器Intel公司于2005年1月成功研制出了全硅拉曼激 光器垂直腔面发射激光器（VCSEL ）特点：极短的腔和设计高性能的VCSEL的关键（1）材料的增益谱峰 值波长、DBR的高反射谱中心波长和谐振腔的谐振 波长三者要完全符合设计长度 （2） DBR高反射（3）降低串联电阻（4）优化器件结构和尺寸， 以限制电流和光场的分布DBR概念：指具有咼折射率和低折射率的两种材 料交替生长在一起的多层的介质膜，两种介质折射 率差越大越好，层数越多反射率越好DBR材料（1）半导体：导电、折射率差小、层多, 易产生势垒、阻碍载流子运动（2）绝缘体：不同介质之间的折射率差较大，所 需要的DBR反射镜对数越少；无法用统一的工艺 来完成，只能通过后续工艺集成在一起丿 九DBR厚度计算：dr = （九中心波长n折射率）r 4n几种能对光子或电子进行横向限制的VCSEL结构刻蚀空气柱型离子注入行m-DHR.再生长型応砒3—口四口 二选择氧化型第三章光电探测器是指将入射光能量转化为电信号的一类光电子器件光电效应有内外之分，外光电效应发生在表面，光 吸收系数a=a （ A）是波长的函数，它强烈依赖于波长，当入射光波长小于九0时，吸收系数随波长的减小而迅速增大产生的电子-空穴对个数外量子效率耳外=(1-R 4I外 f ‘内量子效率耳内=—入射的光子数—激发的电子离开表面（与电子亲和能、功函数相关）。

内光电效应发生在内部，光激发的载流子仍在材料内内光电效应探测器厂光电导型广体电导元件pn结光电二极管（pn 结）p-i-n光电二极管（p-i-n）APD雪崩光电二极管（APD）肖特基势垒光电二极管（MSM叉指）厂硅光电池Y 单晶p-n结太阳能电池半导体中的光吸收主要包括本征吸收、激子吸收、 晶格振动吸收、杂质吸收及自由载流子吸收 本征吸收当入射光能量大于半导体材料禁带宽度 时，价带中电子便会被入射光激发，越过禁带跃迁 至导带而在价带中留下空穴形成电子一空穴对这 种由于电子在价带和导带的跃迁所形成的吸收过 程称为本征吸收媒质中光子的速度为c=予I 响应度R= p根据光电探测器结构的不同，光电探测器可以分为 4种：即pn结光电探测器、PIN光电探测器、APD 雪崩光电二极管及金属一半导体一金属MSM光电探 测器MSM结构简单，制造工艺和微电子工艺兼容，便于 和场效应管电子器件集成实现OEIC光电子集成回 路PIN基本结构异质结PINhe he光子的能量E二hV 〒0光吸收极限简单的表达式：九=——o = I?"o E E g g式中，Eg为半导体材料禁带宽度，若Eg的单位为eV （电子伏），则相应的波长单位为nm。

光强在半导体中呈指数衰减雪崩光电二极管是一种具有内部增益、能将探测到的光电流进 行放大的有源器件APD的工作原理为雪崩电离效应，即在nHp结附近有一高电 场，光生电子和空穴在该区中被加速，获得很高的能量如果 载流子能量足够大则它将会去碰撞晶格原子，使束缚的电子电 离，从而在导带和价带产生一对电子一空穴对因碰撞产生的 载流子也会被加速并继续去碰撞其他晶格原子，进一步产生电 子一空穴对雪崩电离示意图所示，在PIN的吸收区i层和n层之间插入了一薄层P型层，形成n+plp+结构，这一新 加入的P型层是一雪崩区MSM是一种平面结构结构简单拥有相互错开的电极第四章光波导不仅具有导波的作用，还可以对光信号进行耦合、转换、 分束、复用、解复用等线性光学理论，也叫几何光学把光线看作射线，简单直观结构简单易于制作且成品率高，寄生电容低工作速度 可以达到很高GaN光电探测器：GaN基紫外光电探测器的光响应波长是200〜360 nm的紫外波段GaN为宽直接带隙半导体材料（室温禁带宽度约3.4 eV），其物理、化学性质稳定，具有高的击穿场强， 高的热导率GaN基三无合金AlxGal-xN，随着Al组 分的变化带隙在3.4~6.2eV之间连续变化，带隙波导，但是矩形光波导较脊形光波导来说并不。