集成光电子学进展

集成光电子学进展ProgressinIntegratedOptoelectronics第13号主办单位2003年6月顾问委员会(按姓氏笔划排序)王启明陈良惠张以谟高鼎三梁春广简水生编辑编委会(按姓氏笔划排序)主任：罗毅副主任：黄永箴委员：王玉堂刘式墉任晓敏余金中杨辉林世鸣范希武董孝义责任主编：王莉集成光电子学进展通信处：北京912信箱图书信息中心邮编：100083电话：82304315E-mail:[e-mail]目录高技术工艺设计罗兰园（二）半导体电子器件SiGeHBT及高速电路的发展光调制和光开关(20)微光开关研究与发展现状(25)有源器件及材料光通信用可调谐激光器研究进展(31)GaN基半导体材料研究进展(39)我国光通信市场前景（44世界光通信市场(45)光无源器件市场现状(47)高技术短讯在室温下工作的中红外垂直腔表面发射激光器(49)低发散度的自配套二极管激光器(50)晶体波导光学延迟线(50)用光子晶体设计高Q显示(50)抽运光纤产生高功率宽带光(51)将光学和时尚结合(51)用光学编码硅晶粉末探测生物制剂和化学制剂(51)负折射之争(51)敬告读者（停刊通知）本期刊自2001年6月至今（2003年6月）走过了三个年头，共发刊13期，共约八十万字，跟踪了多项世界高科技前沿热点论题，得到广大读者好评。这期间得到了广大学者、科研工作者和读者们的大力支持和帮助，特别是受到中科院半导体所王启明院士和集成光电子在本期刊即将停刊之际，仅向曾经指导、支持和帮助过本刊的科学工作者和热情读者们二○○三年五月高技术工艺设计罗兰园（二）杨沁清胡雄伟（中国科学院半导体研究所）（该文接上期（第12号）第30页）从广义光栅到罗兰园上一期我们报道了“罗兰园（一）”的文章，主要从数学的角度证明罗兰园的原理。这里我们从广义光栅以及数学的角度来证明罗兰园的原理。一个平面光栅能把含有各种不同波长的入射光束分离成像在空间不同位置的不同谱级的光谱，除0级光谱外，高于0级的不同波长的谱线能被分开，并依序排列在0级谱线的两侧。这就是光栅的色散作用，这种成像无需任何透镜元件或其它光学元件。对于光栅我们所要的功能是它的能把不同波长的光分开投射到不同空间位置上并显示出锐峰功能。这一功能是靠光栅的多波干涉因子实现的。我们可以把这种多波干涉因子加以推广，提出一个广义光栅概念，也就是说提出一个广义光栅效应的图1广义光栅结构示意图图2罗兰园的结构示意图如图1所示，假定空间有一系列的点G1，G2，G3，……GN,如果它们对空间矛一对点Q，P，能满足下列条件：QGjP-QGj+iP=常数=2mπ……（1（1）式所表达的物理意义是：若Q是一个入射狭缝，P是一个接受光谱的面上某一个点，那么QGj为入射狭缝到G上的第j个点的光程，GjP是第j个点到P点的光程，从这相邻两个点ΔΦ=2π/λ（QGjP-QGj+1P）=常数=2mπ……（2（2）式表式相邻两个空间点发出的子波之间的相位差等于一个常数（m为整数），与空间点Gj的位置无关。我们就定义这一系列点G1、G2、……Gj、Gj+1、……GN为广义光栅，（2）式就正如前面所述，罗兰（H.A.Rowland)于1882年用普通的刻光栅的机器把光栅刻制在凹形球面反射镜上。一般称这种光栅为罗兰光栅或罗兰园（Rowlandcircle）。它既有平面光栅的色散功能又有凹面镜的聚焦成像功能。图2给出了罗兰园的简单示意图。AB是球面上的一段圆孤。点C是圆弧的曲率中心，AB的曲率半径为R1=CD，以CD/2=R为半径，以点O为圆心作一个园K与光栅AB相切于D点。如果在园K上的S点处是一个狭缝，从S处出射一束光投射到光栅AB上，这束光被光栅衍射，衍射光束能成像在同一园K的另一个点P上。如果在点P处安置一个相机或照相底片，这一底片就能记录到衍射光谱线。园K被称为罗兰园，AB被称罗兰园就是以凹面光栅AB的曲率半径CD（R1）为直径的且与AB相切的一个园。可以用下面从广义光栅和几何学的角度来推导罗兰园的光栅效应。前面我们已经给出了广义光栅的定义，即（2QGjP-QGj+1P=2实际上，罗兰把凹面光栅刻划在一个半径为R的球面上，球面上的圆孤AB。刻栅时不是刻划成等间隔的栅隔，而是刻划栅隔在弦AB上的投影相等。如图3图3罗兰园栅隔弦结构图图4罗兰园光栅计算示意图假定空间有任意一对点Q和P，现在来推导看PQ在什么条件下才能满足式（2）的条件。证明和推导参看图4通过弧AB的中点O作一条与弧AB相切的线切线，把它定为坐标轴Y轴，通过O点和球心C连一条直线，把它定为X轴。那么弧ABx-R)2+y2=R23x2+y2-2xy=04取弧AB上任意一个点D，设QO=ρ1OP=ρ2，∠QOC=θ1，∠COP=θ2（5令QD=r1DP=r2（6假定Q是一个狭缝，由它发出的一束光经D点到PQDP=r1+r2（7而Q，PQ：ρ1cos(θ1)；ρ1Sin(θ2）（8P：ρ2Cos(θ2)；ρ2Sin(θ2）（8因为点D是在弧ABD：22yR；（9）光程QDPQDP=r1+r2=21121122SinyCosyRR+22222222SinyCosyRRRy时，上式可进行泰勒展开取至y222yR=R-y2/2R-y3/8R3-r1+r2=21122112ySinRyCos＋22222222ySinRyCos将根号内的平方项展开并略去y3及以上的各高次项得到r1+r2=22222222111121212yCosRySinyCosRSin对上式的根号进行泰勒展开并略去y3r1+r2=21211111121ySinCosRySin[phone]ySinCosRySin(11)因为弧AB（图4）上相邻的两个点Gj，Gj+1的y坐标之差为一个常数，所以对光栅效应的公式（2）相当于要求式（11）对yd(QDP)/dy=d(r1+r2)/dy=K那么就有d2(r1+r2)/dy2=012将式（11）代入式（1222222111211111CosRSinCosRSin(13)因为有1-Sin2(α)=Cos2(α),222121221RCosCosCosCosR（14这就是Q，P坐标点ρ1，θ1，ρ2，θ2参数所应满足的普遍方程。它有好几个特解，下式就图5罗兰园摄谱仪结构之一图6AWG器件的功能结构图ρ1=RCos(θ1)ρ2=RCos(θ2)15这时式（15）表明QP两个点都在以OC图5是罗兰光栅的实验结构图之一。其中G是光栅，Q是一个狭缝，C是凹面光栅的曲率中心，在PLouisS.Lome首先于1996年1月将罗兰园用于AWG器件设计的，利用了它的色散和聚焦功能。图6给出了AWG的功能结构图。从该图中可以看到，在AWG中它含有两个平板波导，这个平板波导就是按照罗兰园原理设计的。还有一个是阵列波导。AWG的总体结构如图6（a）所示。平板波导起到镜头的聚焦作用。而阵列波导起到色散的作用。AWG器件的输入输出波导的端口和阵列波导的端口都分别排列在该罗兰园的圆周上。他们的综合作用如图6（b参考文献：更正：“罗兰园（一）”一文中式（f-2)有误，该式应为：Cos(α)+Cos(β)=0(f-2)敬请读者见谅。半导体电子器件SiGeHBT及高速电路的发展*姚飞成步文（中国科学院半导体研究所集成光电子国家重点实验室北京100083）摘要SiGe异质结双极晶体管（SiGeHBT）被广泛地用于无线通信和光纤通信领域。本文详细讨论了SiGeHBT的直流交流特性、噪声特性、SiGeHBT的结构、制作工艺、与工艺相关的寄生效应、SOI衬底上的SiGeHBT等。以及它在高速电路中的应用，包括低噪声放大器（LNA）、功率放大器（PA）、电压控制振荡器(VCO)关键词SiGe；HBT；LNA；PA一引早在19世纪50年代中期,H.Kroemer就提出采用宽禁带材料作发射区的HBT技术能大幅提高晶体管的频率性能[1]。1986年前后,IBM的BernardS.Meyerson等人发明了UHV/CVD技术用以制造高性能的SiGe异质结器件[2]。1987年,IBM的S.S.Iyer制造了第一只有器件性能的SiGeHBT[3]。此后SiGe技术异军突起，发展迅速。而今，IBM正在致力于发展350GHz以上的SiGeHBT单管[4]。由于SiGe器件具有异质结结构和工艺上与Si器件相容的特点,它不仅具有异质结结构的“高性能”,而且具有Si基器件的“低成本”。如今SiGe技术以其优异的性能正以无与伦比的力量推动着无线(第三代移动通信)和有线(SONET/SDH/千兆以太网)通信系统飞速发展。二SiGeHBT及其主要特性。SiGeHBT中以SiGe材料作基区，由于Ge在Si中的引入，使基区禁带宽度变小，能带结构发生了改变（图1）。由于这种改变，SiGeHBT呈现出许多优于Si同质结双极晶体管的重要特性，而它又具有GaAs不可比拟的价格上的优势，所以SiGeHBT在无线通信和光纤通信中得到广泛的应用。基区SiGe中Ge含量的分布可以有均匀、三角、梯形等形态。前两者*863项目（No.2002AA312010）和973项目（No.TG2000036603)姚飞，女，博士研究生，主要研究方向为SiGeHBT在高频电路中的应用及其与Si基探测器的集成。成步文，男，副研究员，主要研究方向为SiGeHBT在高频电路中的应用及其与Si基探测器的集成是后者的特例，下面主要讨论的是基区梯形Ge含量分布的SiGeHBT图1Si/SiGe异质结能带图图2Hawkin2.1SiGeHBT的直流特性直流增益和厄利电压VA是HBT直流特性的重要参数。他们都与SiGeHBT基区Ge含量有关。对于RF和微波应用，它们的乘积也是一个重要指标。βVA值越大，输出电流对偏置电压的波动越不敏感，输出越稳定。具有相同掺杂和结构的SiGeHBT与SiBJT相比较，它们的β值、VA值和βVA值之比由（1）、（2）（3]/)(exp[1]/)(][/)(exp[,,0,kTgradeEkTgradeEkTxEGegGegGegVSiSiGeBE（1）kTgradeEkTgradeEkTgradeEVVGegGegGegSiASiGeA/)(]/)(exp[1]/)(exp[,,,,,（2）]/)(exp[]/)(exp[)()(,0,kTgradeEkTxEVAVAGegGegVSiSiGeBE(3)其中，Eg,Ge(grade)=ΔEg,Ge(xw)-ΔEg,Ge(x0)δ=(NcNv)SiGe/(NcNv)Si＜1λ=[μSiGe/μSi]＞1xo和xw分别表示基区与发射区和收集区之边界位置，ΔEg,Ge表示在Si中引入Ge形成的SiGe合金的带隙与Si带隙之差，ΔEg,Ge(grade)表示基区中Ge含量为渐变分布时，基区两界面处ΔEg,Ge之差，δ表示SiGe和Si器件的态密度之比，而λ则表示二者的迁移率之比。当xo处的Ge含量为有限值（非零但很小）时，（1βSiGe/βSi|VBE≈δλexp[ΔEg,Ge(x0)/kT]（4电流增益随EB（发射区－基区）界面Ge引起的带隙收缩而指数增大。由式（1）、（2）、（3）、（4）可以看出，β、VA和它们的乘积βVA都和ΔEg有关，且随ΔEg地增大而显著提高，它表明SiGeHBT与SiBJT2.2SiGeHBT的交流特性SiGeHBT的交流频率主要由两个参数表征：交流截止频率fT和最大振荡频率fmax。交流截止频率（或电流增益截止频率）fT，定义为电流增益为1时的频率