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单片OEICs的激光微细加工技术研究

作　者: 吴云峰
导　师: 叶玉堂
学　校: 电子科技大学
专　业: 光学工程
关键词: 单片光电集成激光微细加工微小区域温度测量热致破坏微小区域温度分布均匀化对准技术
分类号: TN249
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

单片光电集成器件(OEICs)是利用光电子技术和微电子技术将光电子器件和微电子器件集成到同一衬底而形成的新型器件,可完成光发射、接收和信号处理等多种功能,具有功能强、可靠性高、体积小、成本低等突出优点。相控阵雷达、大容量光纤通信系统、光互连、光计算以及光神经网络等都越来越迫切的需要宽带、高速、高可靠的单片OEICs器件。但由于单片OEICs要将光、电两类结构、性能完全不同的器件集成在同一衬底上,从材料生长到制做工艺都有很大的技术难度,需要解决各种光电兼容问题,因此至今尚未完全实用化。半导体的激光微细加工技术具有“低温处理”、“局域升温”的独特优势,将该技术应用于单片OEICs的制做,有利于解决其中的光电兼容难题。本文的工作就是围绕单片OEICs的激光微细加工技术开展的,主要的研究结果和创新之处如下: 1) 用激光微细加工的方法制做出了InGaAs/InP平面型PIN光探测器,响应度为0.21A/W。这向用激光微细加工方法制做出单片集成光接收机的目标迈出了关键的一步。研究了探测器制做中的激光诱导扩散和激光辅助合金工艺。分析了影响探测器性能的因素,总结了原有工艺的不足,提出了相应的解决方法。 2) 研制出了激光微细加工中微小区域的温度分布和变化的计算机测量系统。该系统首先在提高了原系统温度分辨率的同时,扩展了测量范围。在温度为600℃时,系统的温度分辨率可达到0.2℃,测量区域的最小直径可达到18μm。系统还利用精密电动平台的精确定位功能和温度信号的实时采集、存储功能,实现了微小热斑温度空间分布和温度随时间快速变化过程的测量。 3) 研究了激光微细加工中的精确对准问题,提出了相应的解决方法。a)根据激光微细加工区温度分布的特点,设计了搜索算法,实现了测温系统和激光微细加工中微小区域的横向对准。b)从理论上分析了直径仅数十微米的激光微细加工区的温度测量与一般红外辐射测温的对系统纵向对准要求的区别,提出了相应的系统调焦方法,实现了测温系统对激光微细加工区的纵向精确对准。c)提出了不可见的10.6μm激光焦斑和激光微细加工微小窗口

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-15
第一章引言  15-33
  1.1 研究背景及意义  15-17
  1.2 单片OEICs的研究进展  17-24
    1.2.1 Si基单片OEICs  17-19
    1.2.2 GaAs基单片OEICs  19-20
    1.2.3 InP基单片OEICs  20-22
    1.2.4 国内单片OEICs的研究进展  22
    1.2.5 单片OEICs进展小结  22-24
  1.3 半导体激光微细加工技术进展  24-29
    1.3.1 激光辅助掺杂  24-26
    1.3.2 激光退火  26-27
    1.3.3 激光淀积  27-28
    1.3.4 激光腐蚀  28
    1.3.5 国内半导体激光微细加工技术的进展  28-29
    1.3.6 半导体激光微细加工技术的进展小结  29
  1.4 用激光微细加工技术制做单片OEICs  29-30
  1.5 本文的主要工作  30-33
第二章平面型InGaAs／InP PIN PD的激光微细加工制做  33-51
  2.1 平面型InGaAs／InP PIN PD  33-35
  2.2 用激光微细加工技术制做平面型InGaks／InP PIN PD  35-43
    2.2.1 探测器的制做工艺  35-36
    2.2.2 激光微细加工的实验装置和工艺步骤  36-39
      2.2.2.1 实验装置  36-37
      2.2.2.2 激光诱导扩散  37-38
      2.2.2.3 激光辅助合金  38-39
    2.2.3 实验结果及讨论  39-43
      2.2.3.1 激光诱导扩散的实验结果及讨论  39
      2.2.3.2 激光辅助合金的实验结果及讨论  39-42
      2.2.3.3 平面型InGaAs／InP PIN PD的测试结果及讨论  42-43
  2.3 影响平面型垂直结构PIN PD性能的因素  43-46
    2.3.1 影响响应度的因素  43
    2.3.2 影响暗电流的因素  43-45
    2.3.3 影响频率响应的因素  45-46
  2.4 InP衬底中Zn扩散的理论基础  46-49
    2.4.1 Zn在InP中的扩散机制  46-47
    2.4.2 扩散杂质的浓度分布  47-49
  2.5 激光诱导扩散工艺的改进  49-50
  2.6 本章小结  50-51
第三章半导体基片表面激光微细加工区的温度测量  51-78
  3.1 原有系统及存在的不足  52-55
    3.1.1 实验装置和工作原理  52-54
    3.1.2 系统在实际使用时遇到的问题  54-55
  3.2 计算机温度测量系统  55-72
    3.2.1 系统组成和工作原理  55-56
    3.2.2 探测器成像系统设计  56-57
    3.2.3 电路设计  57-65
      3.2.3.1 电流放大器  57-59
      3.2.3.2 A／D转换器  59-60
      3.2.3.3 精密电动平台及其驱动电路  60-61
      3.2.3.4 EPP接口电路  61-65
    3.2.4 计算机软件设计  65-71
      3.2.4.1 人机交互  66
      3.2.4.2 问题域  66-70
      3.2.4.3 数据管理  70-71
    3.2.5 系统实验结果及讨论  71-72
  3.3 探测器光敏面和基片表面的纵向对准  72-77
    3.3.1 纵向对准误差对温度测量的影响  72-74
    3.3.2 纵向对准的方法  74-77
  3.4 本章小结  77-78
第四章 Inp基片在10.6μm聚焦激光束局域加热时的温度上升  78-99
  4.1 InP基片在10.6μm聚焦激光束局域加热时的热致破坏  78-81
    4.1.1 热致破坏现象  78-79
    4.1.2 热致破坏现象的解释  79-81
  4.2 半导体基片在10.6μm聚焦激光束局域加热时温度上升的计算  81-87
    4.2.1 计算理论  81-83
    4.2.2 计算结果与讨论  83-87
  4.3 InP基片在10.6μm聚焦激光束局域加热时温度上升的测量结果  87-91
  4.4 热致破坏的进一步抑制及基片曝光区温度的控制  91-97
    4.4.1 采用电磁快门控制入射激光功率  91-92
    4.4.2 曝光区温度自动控制  92-97
      4.4.2.1 系统组成和工作原理  92-93
      4.4.2.2 控制策略  93
      4.4.2.3 系统软硬件设计  93-96
      4.4.2.4 实验结果  96-97
  4.5 本章小结  97-99
第五章激光微细加工区温度分布均匀化  99-122
  5.1 激光束照射引起的半导体基片表面温升的分布  100-102
  5.2 用掩模对焦斑光强进行空间调制实现温度分布均匀化  102-106
    5.2.1 实现加工区温度分布均匀化的方法  102-103
    5.2.2 激光焦斑光强分布的计算  103-104
    5.2.3 结果与讨论  104-106
  5.3 用二元光学元件实现温度分布均匀化  106-121
    5.3.1 用二元光学元件进行光强分布变换  106-109
      5.3.1.1 二元光学元件  106-107
      5.3.1.2 用二元光学元件进行光强分布变换的基本原理  107
      5.3.1.3 用二元光学元件实现光强分布变换的理论基础  107-109
    5.3.2 实现温度分布均匀化的理想光强分布  109-110
    5.3.3 用遗传算法设计二元光学元件  110-117
      5.3.3.1 二元光学元件设计的任务  110-111
      5.3.3.2 遗传算法的基本原理  111-112
      5.3.3.3 遗传算法的基本流程  112-113
      5.3.3.4 编码方法  113-114
      5.3.3.5 适应值的度量方法  114
      5.3.3.6 复制、杂交和变异的方法  114-116
      5.3.3.7 停止准则  116-117
    5.3.4 结果及讨论  117-121
      5.3.4.1 设计参数的选取  117-118
      5.3.4.2 设计结果  118-121
  5.4 本章小结  121-122
第六章激光微细加工中的对准技术  122-132
  6.1 激光焦斑和激光微细加工区的精确对准  122-125
    6.1.1 对准方法  122-124
    6.1.2 对准实验结果  124-125
  6.2 二次离子质谱分析中刻蚀区与扩散区的对准  125-131
    6.2.1 二次离子质谱仪的基本工作原理  125-126
    6.2.2 扩散浓度深度分布的测量方法  126-128
    6.2.3 刻蚀区与扩散区的对准方法  128-129
    6.2.4 实验结果  129-131
  6.3 本章小结  131-132
第七章用激光微细加工辅助制做单片集成光接收机  132-140
  7.1 单片集成光接收机的材料结构和参数设计  132-136
    7.1.1 材料选择  132-133
    7.1.2 有源器件的选择  133-134
    7.1.3 器件结构设计  134-136
  7.2 垂直结构MPIN／MHEMT单片集成光接收机的工艺  136-139
    7.2.1 总体工艺流程  136-139
    7.2.2 激光诱导扩散工艺流程  139
  7.3 本章小结  139-140
第八章结论  140-143
参考文献  143-156
致谢  156-157
个人简历  157-158
博士论文期间发表或被录用的论文  158-159

单片OEICs的激光微细加工技术研究

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