硅基光电集成精.ppt

《硅基光电集成精.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《硅基光电集成精.ppt（21页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、硅基光电集成第1页，本讲稿共21页内容内容光子集成回路(Photon Integrated Circuit，PIC)和光电子集成回路(Optic Electronics Integrated Circuit，OEIC)不仅可以在大容量、高保密的光纤通信中应用，而且能在光学遥感、传感，光互联、光计算、光数据存储及光电显示等领域发挥重要作用。PIC和OEIC是在光纤通讯和计算机的高速发展下提出来的在电子计算机中列入光互连，被称为混合光/电子计算机用PIC取代集成电路，就是光计算机。无论用PIC还是OEIC取代集成电路，开展硅基PIC、OEIC的研究是必由之路。第2页，本讲稿共21页简介简介硅 基

2、PIC、硅 基OEIC芯 片 包 括 异 质 结 晶 体 二 极 管 电 路、激 光 二 极管及其驱动/保护电路、光放大器、调制器、光开关、耦合器、快速光探测器，小面反射器、分束/合束器、光波导、光纤等，技术上与微 电 子 工 业 的CMOS工 艺 兼 容，只 需 对 光 波 导 器 件、光 探 测 器件作适当调整“。第3页，本讲稿共21页材料OEICOEIC所所使使用用的的材材料料有有族族的的SiSi、GeGe和和I IV V族族化化台台物物的的GaAsGaAs、InPInP及及其其三三、四四元元合合金等半导体材料。金等半导体材料。由由于于硅硅具具有有更更高高程程度度的的晶晶体体完完整整性性

3、、优优良良的的机机械械。热热学学性性能能和和大大尺尺寸寸以以及及硅硅微微电电子技术的成熟性，在目前的子技术的成熟性，在目前的PICPIC、OEICOEIC研究中更加受到重视。研究中更加受到重视。第4页，本讲稿共21页硅基光波导材料及其光传输损耗11 外延硅材料(nsin+一si、psip+一si)利用SiH4、SiCl4在约1160C温度下的分解井同时掺杂，可在商业n+-Si、p+Si片上沉积而得n-si/n+-Si、p-Si/p+-Si.衬底掺杂高达10+19cm-3，外延层掺杂可低到10+13cm-3。对本征Si单晶，=1.30um其折射率n=3.505；=1.55um，其折射率n=3.4

4、80；由于自由载流子浓度的增加，其折射率下降(n)和吸收系数增大(a)，这称之为等离子体色散效应。n可达10e-2量级，所以等离子体色散效应是比较明显并可以利用的，可用于制作Si外延光波导及硅电学调制开关等有源或无源器件.外延硅波导材料主要是微电子工业用的si(111)(用于CMOs电路)Si(100)(用于双极型电路)片。外延硅波导器件的插入损耗低，与光纤的耦台效率高。但由于衬腐高浓度的载流子对光能量吸收使传输损耗过大，其波导芯与包层的相对光折射率差较小，导致弯曲光波导的曲率半径大，器件的尺寸也就大制约了集成度的提高。第5页，本讲稿共21页SOI光波导材料SOI(Silicon on Ins

5、ulatoT)波导材料的制备方法有区熔再结晶(ZMR)、直接链合与背刻蚀(SDBBE)、氧离子注入隔离(sIMOx)等。zMRsOI光波导的损耗太大sDBBEsOI的硅单晶层质量好，但厚度及其均匀性的控制较难。相对而言，SIMox-s0I是比较理想的光波导材料，但是由于氧离于注入形成的siO2层的厚度一般不超过0.5um，它对光的限制还相当有限。另外由于单模条件的限制，且s-与Sioz的折射率差别很大，导光的st层仅需要不足0.3um厚其脊形波导与光纤耦合时需用过渡透镜等光学元件，sOl光波导分为平板波导和条形波导。对于sOl平板光波导而言，根据模色散曲线的重合性，Sio。层只需o2pm就足够

6、厚了m。sOI平板光波导中导波层的吸收损耗中t本征吸收限为11pm不在1316啪的窗口，所以本征吸收是根小的。非本征吸收在室温时主要是自由裁流子吸收。sOI平板光波导导模的尊模总吸收损耗o2dBcm，sIO。屡有泄露损耗”。A，FEva璐等m3通过调节sOI脊型波导的宽高比，研制的大截面sOI脊型光波导对x二131pm光的TE。(TM。)模的传输损耗26 dBcm。第6页，本讲稿共21页si基siO2光波导材料sl基siO2光波导材料已广泛用于研制光干涉仪、热光开关阵列、分台束器、放大器、窄带滤波器、方向耦台器、阵列波导光栅(AwG)等光通讯用器件以及谐振型光学陀螵仪的环形谐振腔等其制备方法有

7、火焰水解法(FHD)、化学气相沉积(cVD)、溶胶凝胶法(soI Gel)等。FHD工艺是通过控制H2、O2、sicl4的流量在si衬底上沉积并经过高温固化后得到达几十um厚的slO2薄膜。此法可以掺GeO2或TiO2来调节折射率，结合RIE工艺可以制作损耗小于0.6 dBcm-1(=1.55um)的二维或三维波导。slO2层的残余应力、均匀性等影响光传输的因紊与制备工艺的关系有待深入研究与实践。CVD:蒸发正硅酸乙脂(TEOS)形成sio2过渡层(约10um)到si衬底上，再沉积掺锗的SiO2层作为波导层，利用图形掩膜并经过刻蚀形成波导条后再沉积不掺杂siOz包层，所得的3dB分束器的损耗低

8、于05dBcm。此法的最大优点是与半导体工艺相容，沉积的siO：膜厚及膜的残余应力可控。采用SolGel工艺“63制备光波导材料的原料有正硅酸乙脂(TEosAP级)、乙醇(cP级)与异丙醇(cP级)的混合物、去离子水、盐酸(AP级作催化剂用)，用SolGel工艺得到凝胶膜后，在有一定湿度的气氛中进行热干燥处理，摄后得到SiO：光波导薄膜材料。可以通过调整原料配比、控制干燥过程的相对湿度和升温速率来调控材料的应力以至于不开裂，但厚度难以控制，制各材料的时间较长(数天)，波导层与包层的折射率匹配不易调控。因为si与sio。的晶格常数的差异，S。J一6eJ工艺制备的SiOz层的厚度通常只有不足lpm

9、，太厚容易产生裂纹l且由于二者折射事相差太大而引起辆台失配第7页，本讲稿共21页GexSi1-x/Si光波导材料迄今为止，GeSi材料已广泛用于研制光波导，MQw红外光探测器、光波导调制器、光波导定向耦合器、X和Y型光波导分支器。研制GexSi1-x/Si光波导材料的方法有MEB(分子束外延)、CVD、Ge扩散法等.第8页，本讲稿共21页Si基GaAsGaAIAs光波导材料MOCVD制备丁高性能的GaAsGaAlAsGaAsSi材料。其制备步骤为：用直接生长法在1000。c的H。+AsH：气氛下对硅片预处理；在400450c的TMG+H2+AsH3气氛下生长过渡层2025nm在700750C的

10、TMG+H2+AsH3气氛下生长GaAs层1.01.5um；在720750C的TMG+H2+TAM+AsH3气氛下生长Ga0.7AI0.3As层约2.0um；在700750C的TMG+H2+AsH3，气氛下生长GaAs波导层0.42um。第9页，本讲稿共21页硅基光波导器件的结构决定了它的用途，其性能的差异决定于构成硅基光波导材料的微结构及其材料各层之间的界面，这与材料的加工及成型技术密不可分当前的三屡结构光波导，是利用薄膜淀积技术先在衬底上生长过渡层再生长芯层,或者直接生长芯层，经过十法或者湿法腐蚀得到所需的波导芯后再沉积包层(或以空气作包层)。所得波导芯形状主要是矩形或梯形，它与包层的界面

11、小是严格完整的圆柱面，它对光线的反射角不完垒相同，有些满足垒反射其余的则不然，逸就引起光波场分布的小均匀，因而有泄露波，导致界面衰减波的玻印廷矢量不为o即存在光的隧穿效应因此传输损耗集中在光渡导与芯层的界面。不同的薄膜加工技术或者同一薄膜加工技术采用不同的工艺参数，所得的波导芯与衬底丑包层的界面态就不同，所引起损耗的大小随之不同第10页，本讲稿共21页2020世世纪纪7070年年代代之之前前，曾曾认认为为硅硅不不具具有有线线性性光光电电效效应应(Pockels(Pockels效效应应)和和受受激激辐辐射射效效应应，很很少少开开展展硅硅基基PICPIC、硅硅基基OEICOEIC的的研研究究。主主

12、要要集集中中在在LiNbOLiNbO3 3或或一一V V族族化化合合物物的的PICPIC、OEICOEIC上上从从2020世世纪纪8080年年代代后后期期开开始始，硅硅的的上上述述两两个个缺缺陷陷被被克克服服。首首先先硅硅的的电电光光效效应应已已被被发发现现，即即电电场场施施加加在在光光正正在在传传输输的的介介质质上上引引起起光光折折射射率率的的变变化化，分分为为两两类类：直直接接电电光光效效应应电电场场直直接接引引起起介介质质光光学学折折射射率率的的变变化化，如如KerrKerr效效应应；间间接接电电光光效效就就电电场场间间接接引引起起介介质质折折射射率率的的变变化化包包括括FranzKel

13、dyshFranzKeldysh效效应应和和等等离离子子体体色色散散效效应应(the(the Plasma Plasma Dispersion Dispersion EffectEffect，也也称称为为载载流流子子折折射射效效应应(the(the carrier carrier Refrection Refrection Effect)Effect)。其其中中等等离离子子体体色色散散效效应应相相当当显显著著，足足以以实实现现电电光光调调制制。其其次次，纳纳米米多多孔孔基基及及纳纳米米颗颗粒粒基基硅硅材材料料的的发发光光现现象象已已被被发发现现。硅硅材材料料还还具具有有其其它它独独特特的的优优

14、点点作作为为半半导导体体领领域域中中应应用用最最广广泛泛的的一一种种材材料料，其其成成本本低低、加加工工工工艺艺最最为为成成熟熟。在在1.31.31.6um1.6um的的波波长长范范围围内内，硅硅是是透透明明的的，正正处处于于石石英英光光纤纤长长波波(1=1.31um(1=1.31um，1.55um)1.55um)低低损损耗耗窗窗口口的的范范围围。硅硅还还是是光光电电转转换换材材料料，可可用用于于制制各各液液晶晶显显示示器器(LCD)(LCD)、太太阳阳能能电电池池等等。1.31.31.6um1.6um波波段段的的全全硅硅雪雪崩崩二二极极管管PtSiPtSi肖肖特特基基二二极极管管探探测测器器

15、业业已应用，可以相信研制已应用，可以相信研制1.31.31.6um1.6um波段的硅集成光路成为可能波段的硅集成光路成为可能.RFID芯片设计及制造技术 第11页，本讲稿共21页硅硅基基材材料料从从微微电电子子领领域域拓拓展展到到硅硅基基光光电电子子领领域域的的研研究究进进展展神神速速。GeSi/SiGeSi/Si超超晶晶格格和和低低维维SiSi材材料料的的发发光光现现象象已已被被发发现现，可可以以作作为为PlCPlC、0EIC0EIC的的光光源源。GeSi/SiGeSi/Si多多量量子子阱阱(MQW)(MQW)波波导导探探测测器器及及其其与与波波导导的的耦耦合合器器件件已已研研制制成成功功开

16、开始始向向探探测测器器陈陈列列发发展展；PtSi/SiPtSi/Si肖肖特特基基势势垒垒光光电电二二极极管管(SBT)(SBT)实实用用器器件件的的探探测测范范围围可可达达1 16um6umIrSi/SiIrSi/Si肖肖特特基基势势垒垒探探测测器器的的探探测测范范围围可可达达1.11.113.2um13.2um，它它在在8 814um14um范范围围有有巨巨大大潜潜力力。硅硅基基光光波波导导的的传传输输损损耗耗已已降降至至1dB.cm1dB.cm其其制制备备技技术术与与硅硅微微电电子子技技术术兼兼容容，为为进进一一步步研研制制相相关关的的PICPIC、OEICOEIC器器件件奠奠定定了了坚坚

17、实实的的基基础础。SiSi基基SiOSiO2 2光光波波导导(如如阵阵列列波波导导光光栅栅，AWC)AWC)已已推推向市场，推动了硅基光波导研究的迅猛发展。向市场，推动了硅基光波导研究的迅猛发展。集成片上天线设计及制造技术 第12页，本讲稿共21页目目前前目目外外已已有有日日本本的的NTTNTT、美美国国的的BellBell实实验验室室、韩韩国国的的QSIQSI公公司司开开展展硅硅基基PICPIC、硅硅基基OEICOEIC的的研研制制；国国内内也也有有中中国国科科学院半导体所的王启明小组、西安交通大学学院半导体所的王启明小组、西安交通大学的的刘刘恩恩科科小小组组、天天津津大大学学的的杨杨恩恩泽

18、泽小小组组、浙浙江江大大学学的的何何赛赛灵灵小小组组以以及及中中国国科科学学院院上上海海微微系系统统与与信信息息技技术术研研究究所所，长长春春物物理理研研究所等单位开展了相关的研究究所等单位开展了相关的研究国内外研究情况第13页，本讲稿共21页第14页，本讲稿共21页第15页，本讲稿共21页第16页，本讲稿共21页第17页，本讲稿共21页一、目前发展的趋势：一、目前发展的趋势：为了适应更小尺寸的RFID芯片，有效地降低生产成本，采用芯片与天线基板的键合封装分为两个模块分别完成。二、两种具体做法：二、两种具体做法：1、（中国专利）大尺寸的天线基板和连接芯片的小块基板分别制造，在小块基板上完成芯片

19、贴装和互连后，再与大尺寸天线基板通过大焊盘的粘连完成电路导通。2、将芯片先转移至可等间距承载芯片的载带上，再将载带上的芯片倒装贴在天线基板。封装方法 第18页，本讲稿共21页实 例 1 1、日立新技术，、日立新技术，“-芯片芯片”上形成天线上形成天线 摘自：日经BP社报道 03.09.04利用镀金形成天线：先用绝缘膜覆盖在电路上，然后再在上面利用镀金形成螺旋状天线。0.25umCMOS工艺外径：0.4mm，圈数：3应用频率：2.45GHz最大的通讯距离:about 25 cm(with an external antenna)响应时间:20msec 第19页，本讲稿共21页实 例 2 2、非接

20、触式、非接触式IC IC 卡的片上天线卡的片上天线1 1摘自：倪昊、徐元森，半导体学报，Vol.24，No.5，May，2003在贝岭1.2umEEPROM工艺线上流片；n30，l3mm，w7.4um，e1.8um；天线等效面积A236.8mm2，Ls3.79nH，Rs1.4k，Cox51.3PF；在13.56MHz，V2pp20V，负载电阻4K，K0.6 条件下，经全波整流并计入整流损耗0.7V后，负载两端的电压为5.4V，负载上的功率为7.3mW。第20页，本讲稿共21页实 例 3 3、非接触式、非接触式IC IC 卡的片上天线卡的片上天线2 2仿真结果仿真结果摘自：王元、高丹、黄均鼐，复旦学报（自然科学版），第44卷第1期，05年2月采用0.35um工艺模型；在芯片最外围第四层Al围绕方式，n11，l3mm，w10um，s1um，ews；天线等效面积A90.3mm2实际面积1.4mm2，占芯片面积的15.6；Ls0.85uH，Rs508，Cox7.5PF；在B0.001T，CL200PF，负载电阻3K 条件下，仿真得开路感生电动势7.7V，整流后3.8V，波动小于0.2V，片上天线能提供2.4mV的能量。第21页，本讲稿共21页