竖直腔面发射激光器光学互连工艺制造技术

一种三维光学互连，具有叠层的竖直方向对准的一些光电子集成（ＯＥＩＣ）组件。每一块ＯＥＩＣ组件都包括竖直腔面发射激光器（ＶＣＳＥＬ）阵列、接收器和电子逻辑线路，它们均集成在单块半导体基片上。各ＯＥＩＣ组件之间的信息传递，是靠从ＶＣＳＥＬ到相邻ＯＥＩＣ组件上相应接收器的激光辐射的自由空间传播来实现的。晶体管，例如异质结型双极晶体管，可用于驱动ＶＣＳＥＬ。（*该技术在2013年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本申请与并此提出的美国申请有关，其在美国的申请系列号为07/790964，是在1991年11月7日提出的。本专利技术涉及光学互连领域，更确切地说，涉及单片集成的面发射激光器和接收器的三维列阵，被用于改进竖直叠层光电集成电路组件之间的光学互连。目前对于完全电子化信息处理器工作速率方面的主要局限，首先是由于同实际布线有关的问题。例如使用象共面金属带状线之类实际布线的全电子化处理器，其共面金属带状线的缺点是同电子逻辑固体组件的阻抗不匹配。这种阻抗失配可导致大量的功率消耗和降低工作速率。除此而外，电子元件之间的信息传递速度，大大取决于互连金属导线的特征性R-C时间常数。尽管对互连结构进行选择能够改进某些处理系统的操作速度，但当这些固体组件的规格进一步减小时，它在有效地降低R-C时间常数方面并不完全适合。这可通过意识到当寄生电容C随着尺寸的减小而减小时，电阻R不仅不减小反而增加，而使R-C时间常数保持相对固定来更好地加以理解。而且与采用实际布线相关的噪声也成问题。一般说来，每当经过带状线连接回路的信号变化时，总是会产生一个电压峰值。对于数字系统来说，必须采用昂贵和复杂的误差归算技术来补偿噪声，以便达到所要求的少量误差率。此外，在超大规模集成电路(VLSI)上碰到的数以百计甚至数以千计的电子逻辑固体组件中的信息递，通常为一系列，从而产生传统的VonNeumann阻塞问题。对于阻抗不匹配以及VonNeumann阻塞问题的一种解决办法，是实现光电子互连。例如可参见(Goodman，J.W等发表在《应用光学》，VO1.27PP.1742(1988)以及Kostuk，R.K.等发表在《应用光学》VO1.24(1985)的文章，均被结合在此作为参考。光电子互连的作用如同量子阻抗匹配元件，它利用光束来在电子元件之间建立互连或者信息传递途径，以避免失配和阻塞。与实际布线不同，这些阻抗匹配元件(例如激光器和光接收器)能够将电子转换成光子，然后将光子逆转换为电子，以建立互连。其优点在于光束之间并不民生强烈的相互作用，从而能够显著改善抗扰度。进一步说来，作为光学互连，对于功率和带宽的要求，并不象实际导线那样与其距离有关。涉及这种光电子互连结构，已经作了大量的工作。例如新近提出的结构，包括使用二维列阵的面发射激光二极管和集成在单块半导体基片上的探测器列阵，例如发表在SPIEInternationalConferenceonAdvancesinInterconnectionandPackaing，Vol，1389(1990)，由J.L.Jewell等人在PP.401～407;由J.Jahns在P.P.523～526;由A.G.Dickinson等人在PP.503～514撰写的论文，以及发表在IEEEProceeding-1989Southeastcon，Session12B5，PP.1132-1139由H.D.Hendricks等人撰写的论文，还有发表在SPIEOptoelectronicSignalProcessingforPhased-ArrayAntennas，Vol.886，PP，1～11(1988)由P.K.L.Yu等人撰写的论文，所有这些论文均在此结合作为参考。在现有技术中留待解决的问题，是要提供一种互连结构，(1)它采用的是高速率、高效率的光电子集成电路(OELC)发射器/接收器;(2)它采用的是能同三维混合式光电子信号处理系统兼容的OEiC互连工艺;(3)它适于制造，并能进行刚性内叠层光学互连的对准。所有这些以及其它一些目的，是根据本专利技术来达到的，它是一种三维的光学互连，适于实现三维的光电子处理器。这种三维的光学互连，包括由一些竖直对准的光电子集成电路(OEIC)组件构成的叠层，其中每一组件都包括与发射器和接收器相连的电子逻辑线路。在该光学互连结构中，为电子处理用的电子逻辑线路，都同采用标准的半导体生长和处理工艺得到的半导体基片上的发射器和接收器单片集成在一起。在本专利技术的最佳实施例中，每一块竖直对准的OEIC组件，均包括GaAs逻辑固体组件、发射器和接收器，全都制做在单块GaAs基本之上。更确切地说，发射器包括与竖直腔面发射激光器(VCSEL)竖直集成在一起的异质结场效应晶体管(HBT)，而接收器则包括异质结型光电晶体管(HPT)。使用被设计成具有同样的外延层或结构的HBT和HPT，该构形不但能降低制造工艺的复杂性，而且能使每种结构都能起发射器或者接收器的作用。来自GaAs逻辑固体组件的输出信号接在相应的HBT上面，然后被放大以驱动VCSEL至高于阈值并产生激光，而且将来自输出信号的信息调制为被发射的辐射。垂直于基片平面出射的光学辐射，被竖直发射给下一个相邻的OEIC组件。此光学辐射的波长被设计在GaAs基片的透射带内，并透过该基片发射给相应的接收器HPT，以进行检测及放大。经放大后的信号随后再由金属互连发送电子线路，以进一步作电子处理。在OEIC组件之间的这种发射和接收，就能够在相邻的OEIC组件之间建立信息交换途径和互连。通过阅读结合附图所作的以下说明，可以得到对于本专利技术的更完全理解，其中，附图说明图1为根据本专利技术原理的示范性三维光学互连结构;图2为具有单片集成的异质结型光电晶体管(HPT)和竖直腔面发射激光器(VCSEL)的发射器最佳实施例横截面;图3为用在图1所示三维光学互连中的示范性异质结场效应晶体管(HBT)，对于某些基极注入电流时的集电极电流对集电极-发射极电压的特性曲线;图4为对于用在图1所示三维光学互连中的示范性竖直腔面发射激光器(VCSEL)的，表示电压对电流(I-V)以及光功率对电流(L-I)的特性曲线;图5为对于用在图1所示三维光学互连中的示范性异质结型光电晶体管(HPT)的电路构形;图6为作为图1所示三维光学互连中使用的示范性异质结型光电晶体管，对于某些入射功率水平下的集电极电流对集电极-发射极电压的特性曲线;图7为对于图1所示三维光学互连中使用的示范性异质结型光电晶体管的光谱响应曲线;图8为单片集成的异质结场效应晶体管、竖直腔面发射激光器以及异质结型光电晶体管横截面，以及图9为各种光电互连构形所具有的电流对于发射器耗散的电功率的特性曲线。本专利技术基于采用高速率竖直腔面发射激光器(VCSEL)，其与晶体管和高密度电子逻辑线路集成在一起以构成能够三维互连的光电子集成电路(OEIC)组件。具体说来，提供高速光学互连的VCSEL的规格、速率和结构，是由包含VCSEL列阵的竖直叠层的OEIC组件实现的。这些OEIC组件之间的信息交换，最好是靠相邻OEIC组件上VCSEL和相应的接收器间激光辐射的自由空间传播来实现。三维光学互连的概念，可通过图1中四叠层的系统加以说明。在每一个OEIC互连或者结10i.j处，元件列阵被用来产生、发射和接收光信号或者光束20i.j，其中i表示OEIC组件，j表示元件号。每一块组件上的OEIC互连/或者结，基本上都是按同一图形排列的。此外，如图1中所示，这些OEIC组件都是竖直叠层和对准的，从而使一块组件上的结基本上总在处在相邻组件上这些结正下方。这就是说所有带j个元件的结在竖直路线上基本上是对准的。每一元件列阵都包括一个发射器30i.j和一个接收器40i.j，前者本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维光电子互连，它包括：具有至少一个第一平面表面的第一块半导体基片；按第一种图案单片集成在上述第一表面上的第一阵列的竖直腔面发射激光器，其中每激光器用来产生所需波长的辐射，所述辐射垂直于上述第一平面发射；用来产生第一组带有信息的电信号的装置；对于每一激光器来说，响应于上述电信号而对上述辐射进行调制，以将上述信息光学叠加其上的装置；具有至少一个第二平面表面的第二块半导体基片，上述第一及第二平面表面为非共面的；按上述第一种图案单片集成在上述第二表面上的第二阵列的光接收器，用来接收来自相应激光器的辐射，然后将上述辐射转换成第二组电信号，以及用来处理上述第二组电信号装置，从而通过在上述激光器和光接收器之间对于上述辐射的发射和接收，在上述产生第一组电信号的装置和处理第二组电信号的装置之间建立光电子互连。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：GP奥尔布赖特，JL耶威尔，
申请(专利权)人：班德加普技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]