现如今信息科学技术发展迅猛,光互连作为科技信息通信网络架构中的关键技术也在顺应时代的要求快速发展。目前光互连模块基本上依然以分立的接收器和发送器为基本结构,进行器件的分立式封装。近年来很多的研究人员都在探究激光器和探测器单片集成的方案,但其中基于垂直腔面发射激光器和光探测器水平方向集成的研究较多,以两个器件垂直集成并且同时工作为目标的研究还较少。本课题研究的是双端通信收发一体集成芯片对,一端发送805nm波长光信号接收850nm波长光信号,另一端接收805nm光信号发送850nm光信号。在本文中详细论述了基于垂直腔面发射激光器(VCSEL)和PIN光电探测器垂直方向集成的收发一体光电芯片结构,满足同轴方向上两个器件同时工作要求,而且结构设计能够有效提高芯片与光纤的耦合效率。更重要的是能够实现单纤双向光通信,不仅可以大幅度提高光互连模块的集成度,而且还能降低模块的复杂性和制作成本。本论文探究的主要内容如下:1、阐述了对于VCSEL和PIN的理论基础。对于VCSEL介绍了其结构的基本理论和阈值电流、斜率效率和3dB带宽等性能指标。在基本理论中对于量子阱激光器工作原理和工作特性进行了详细阐述,而且结合本课题所研究的集成结构详细介绍了 VCSEL单元所需要满足的特殊设计,即采用设计的非周期DBR使得805nm发送端芯片能够满足在805nm波长反射率达到99%以上在850nm波长反射率低于10%。PIN单元主要讨论了其基本结构、工作原理和工作性能。2、详细介绍了基于VCSEL和PIN集成芯片的结构设计工作。本部分首先介绍了集成结构中VCSEL单元的设计,详细阐述了优化设计4对量子阱有源区下直径6um的湿法氧化电流限制窗口结构VCSEL单元的理论分析过程;其次,提出了应用波分复用技术实现在805nm波长发送和850nm波长接收光信号,从而解决集成器件两部分单元光学解耦的问题,收发信道间设计隔离度大于40dB;最后使用A1203材料做电学隔离层解决两部分单元电学解耦的问题,当收发信道隔离度设置为-40dB时带宽为8GHz。本文中设计的VCSEL单元阈值电流1.0mA,斜率效率0.695W/A,最大输出光功率8mW,3dB带宽15GHz;PIN单元量子效率最高达到80%,3dB 带宽 21GHz。3、针对本课题集成芯片的工艺实现关键步骤进行探究。针对集成芯片的刻蚀保护研究了基于AZ5214和聚酰亚胺材料的厚胶光刻工艺,实现了 6um厚图形清晰的光刻;针对集成芯片的钝化层制作研究了高均匀性SiO2介质薄膜的PECVD淀积工艺,实现了厚度达到0.5um且均匀性良好的介质薄膜;针对VCSEL单元电流限制窗口制作研究了湿法氧化工艺,实现了保证外延片层结构完整条件下3um的氧化深度;针对高深宽比台阶上电极制作研究了针对性的图形反转光刻工艺,实现了清晰的直径3um的环形电极图案。4、完成了集成芯片工艺制作实现,验证了集成芯片的可行性。基于850nm发射波长和805nm接收波长的集成芯片结构,工艺制作实现了 VCSEL单元和PIN单元器件,并使用集成结构的PIN单元器件测试和分析了 VCSEL单元器件的性能数据,得到制作完成的850nm波长光信号发送端集成芯片VCSEL单元器件的阈值电流密度为3KA/cm2,最大输出光功率40.2mW,斜率效率0.74W/A。从而实验验证了集成芯片非周期DBR结构下的VCSEL单元的激射特性,进而验证了集成芯片的可行性。在对工艺实现过程中碰到的问题分析研究的基础上重新优化、设计了集成芯片的工艺实现流程及相应版图设计。