SEED智能像素

　　半导体多量子阱自电光效应器件是20世纪80年代后期迅速发展起来的一种新颖的光电混合型光逻辑开关器件。 SEED是美国贝尔实验室对自电光效应器件（Self Electro－OpticEffect Device）的简称囫，其他一些国家称这 种器件为量子阱激子吸收反射开关（EARS）器件、多量子阱光逻辑开关器件、量子阱非对称谐振腔光调制器等不 同名称，本文统一称做SEED器件。SEED器件一般是用MBE或MOCVD生长多量子阱材料，利用现有的较为成熟的微电 子工艺制作器件及阵列，其开关速度很快，可达ns量级或更低，光能耗低，器件单位面积开关能耗可达fJ/μ㎡量 级，可在室温下长期连续工作，特别是反射型SEED器件具有结构简单、高速、极低能耗、易于高密度平面集成、 稳定性好、室温工作等特点，可实现光探测、光调制、光开关、光逻辑、光存储、光电/电光转换等多种功能，并 与其他光电子器件及电子电路具有良好的集成兼容性。

　　SEED器件及阵列是一种在GaAs/AlGaAs多量子阱材料上制作的电吸收光电子器件，既可用做光探测器，也可用做 光调制器；既可与Si集成电路混合集成，也可与GaAs电子器件单片集成，光垂直入射于器件表面或从器件表面反 射，可以很方便地制作成大规模高密度二维集成面阵，目前，国际上已研制成功64 KB的SEED集成面阵，SEED集成 面阵是构成智能像素的种非常理想的光子集成器件。

　　第一个SEED智能像素是美国贝尔实验室于1989年研制的，只是做了原理性实验，电路的开关速率不高。1993年 L.A.D′Asaro等人将三个SEED器件与一个DMT FET单片集成构成GaAs FET－SEED智能像素四，FET沟道是由90 nm的 AlxGa1-xAs层和10 nm掺杂浓度为1×1018cm-3的GaAs层构成。作为光探测器的两个输入SEED器件上的光束一个为 置位信号，一个为复位信号，输入信号经FET放大后，由起光调制器作用的SEED输出。由于引入FET的电子增益， 提高了开关速率，大大降低了开关能量，光开关能量比相同光窗口S－SEED低一个量级。

　　1994年，贝尔实验室报道了4×4节点GaAs FET－SEED智能像素阵列，每个节点含25个FET和17个pin器件。电路 由两个光接收器、一个倒相器、一个控制存储器和一个多路选通/驱动/光调制器组成。整个阵列共集成了400个 FEI和272个pin器件。每个节点可同时输入两个光信号，由光接收器A和B将光信号转化为电信号，在光接收器中的 每个SEED器件上都有一个箝位二极管，从而使S－SEED中点电位的变化幅度被箝制在一个较小的电压范围内，这样 SEED的光能耗将相应降低。

　　单片集成构成GaAs FET－SEED智能像素是在同一材料上先制作光子集成器件，然后再制作电子器件，反之亦然 。单片集成的光电子集成回路具有结构紧凑、器件一体化等特点，但由于光子集成器件和电子器件无论是在材料和器件结构方面，还是在制作工艺方面差异都非常大，实现光子集 成器件和电子器件具有很好的兼容性难度非常大。在同一材料上既要制作多量子阱（MQW）光探测器、光调制器这 样的光子集成器件，又要制作FET这样的电子器件，两类器件的工作机理、工作条件很不相同，器件结构差异很大 ，光子集成器件多为竖直结构，电子器件多为平面结构，因此在单片集成结构设计中，只能相互协调，遇到相互 矛盾之处只能采取折中办法，因此就不能对每个器件都做到最优化设计，也就很难使每个光子器件及电子器件都 处于最佳工作状态。此外，由于光子器件和电子器件结构不同，不可避免地要造成相互之间的不良影响。还有， 在GaAs材料基片上制造大规模集成电路技术还很不成熟，成品率低，造价高，而在MQW材料制作完成SEED器件后， 再制作GaAs FET，两类器件相互影响，造成单片集成的大阵列SEED智能像素的成品率就更低了，因而，很难满足 应用系统要求智能像素性能参数应具有良好一致性的实际需要。

　　为了解决单片集成GaAs FET－SEED智能像素存在的问题，贝尔实验室于1995年提出将SEED光探测器、光调制器 等光子集成器件与Si CMOS电路进行混合集成囵，构成电路规模更大、功能更强、成品率更高的CMOS－SEED智能像 素，这为光电子集成技术向大规模、高性能价格比、实用化方向发展迈出了一大步。

　　混合集成智能像素是指光子集成器件和电子器件根据各自器件的材料结构和制作工艺的不同，分别制作在不同 的芯片上，最后通过焊接、封装等技术多芯片组装（MCM）在一起，混合集成的智能像素具有器件优化程度高、成 品率高、可充分发挥光子集咸器件和电子器件的性能、选择器件功能灵活等优点，集成后的智能像素体积小、功 能多、性能价格比大大提高，是光电子集成系统目前发展的主要趋势冂。

　　CMOS－SEED智能像素是将SEED器件制作在GaAs／AlGaAs MQW材料上，电子器件是在Si晶片上制作CMOS电路， SEED器件和电子器件分别制备好以后，用倒装焊接技术将SEED器件焊接在51 CMOS芯片上。

　　CMOS工艺是微电子技术的主要工艺，目前发展得相当成熟，制造的超大规模集成电路成品率非常高，只要将制 备好的SEED阵列和CMOS集成电路通过倒装焊接技术焊接在一起，就可获得性能优良的CMOS－SEED智能像素，无论 是在阵列规模方面，还在从性能价格比方面都比单片集成GaAs FET－SEED智能像素要优越得多。