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SOI光电子集成 技术
❖1）SOI ❖2）光电子集成电路 ❖3） SOI集成光电子器件
❖ SOI(Silicon-OnInsulator，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。
❖ 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。
❖ 光电子集成电路按功能分主要有电光发射集 成电路和光电接收集成电路。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（optoelectronic integrated circuit，简称OEIC ），是把光器件和电子器件集 成在同一基片上的集成电路。
❖ 结构功能
❖ 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。
❖ Si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：
❖ （1）SiO2光波导回路； ❖ （2）SiGe（锗硅合金）/Si光波导器件；
❖ （3）SOI光波导器件。
❖ SiO2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。
❖ SOI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。
源自文库
❖ SOI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光波导耦合器
❖ 集成光学中的一种重要单元器件 ❖ 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
❖ 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。
❖ 光电子集成电路从结构上可分为单片集成型 和混合集成型两类。 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。
误的发生； ❖ 5) 与现有硅工艺兼容，可减少 13-20%的工
序。
❖
❖1）SOI ❖2）光电子集成电路 ❖3） SOI集成光电子器件
光电子集成电路（optoelectronic integrated circuit，简称OEIC ），是把光 器件和电子器件集成在同一基片上的集成电 路。
光电子集成电路（optoelectronic integrated circuit，简称OEIC ），是把光器件和电子器件集 成在同一基片上的集成电路。
❖SiGe（锗硅合金）/Si和SOI光波导器件都与 CMOS电路工艺兼容
❖ SiGe（锗硅合金）/Si波导中SiGe和Si晶格 失配，波导层SiGe不可能生长的太厚，因 此SiGe/Si光波导同光纤的耦合效率很低。
❖ SOI材料的制作工艺更成熟，顶层Si膜的厚 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。
❖ 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。
❖ 结构功能
❖ 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。
SOI光波导
❖ 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。
❖ 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。
❖ SOI的优势
❖ SOI 在器件性能上具有以下优点：
❖ 1) 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%；
❖ 2) 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%；
❖ SOI的优势 ❖ 3) 消除了闩锁效应； ❖ 4) 抑制了衬底的脉冲电流干扰，减少了软错
❖ SOI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。
❖1）SOI ❖2）光电子集成电路 ❖3） SOI集成光电子器件
❖1）SOI ❖2）光电子集成电路 ❖3） SOI集成光电子器件
❖ SOI(Silicon-OnInsulator，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。
❖ 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。
❖ 光电子集成电路按功能分主要有电光发射集 成电路和光电接收集成电路。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（optoelectronic integrated circuit，简称OEIC ），是把光器件和电子器件集 成在同一基片上的集成电路。
❖ 结构功能
❖ 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。
❖ Si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：
❖ （1）SiO2光波导回路； ❖ （2）SiGe（锗硅合金）/Si光波导器件；
❖ （3）SOI光波导器件。
❖ SiO2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。
❖ SOI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。
源自文库
❖ SOI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光波导耦合器
❖ 集成光学中的一种重要单元器件 ❖ 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
❖ 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。
❖ 光电子集成电路从结构上可分为单片集成型 和混合集成型两类。 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。
误的发生； ❖ 5) 与现有硅工艺兼容，可减少 13-20%的工
序。
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❖1）SOI ❖2）光电子集成电路 ❖3） SOI集成光电子器件
光电子集成电路（optoelectronic integrated circuit，简称OEIC ），是把光 器件和电子器件集成在同一基片上的集成电 路。
光电子集成电路（optoelectronic integrated circuit，简称OEIC ），是把光器件和电子器件集 成在同一基片上的集成电路。
❖SiGe（锗硅合金）/Si和SOI光波导器件都与 CMOS电路工艺兼容
❖ SiGe（锗硅合金）/Si波导中SiGe和Si晶格 失配，波导层SiGe不可能生长的太厚，因 此SiGe/Si光波导同光纤的耦合效率很低。
❖ SOI材料的制作工艺更成熟，顶层Si膜的厚 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。
❖ 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。
❖ 结构功能
❖ 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。
SOI光波导
❖ 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。
❖ 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。
❖ SOI的优势
❖ SOI 在器件性能上具有以下优点：
❖ 1) 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%；
❖ 2) 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%；
❖ SOI的优势 ❖ 3) 消除了闩锁效应； ❖ 4) 抑制了衬底的脉冲电流干扰，减少了软错
❖ SOI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。
❖1）SOI ❖2）光电子集成电路 ❖3） SOI集成光电子器件