硅基光電集成

1、ICRDSha nghai硅基光電集成上海集成電路研發(fā)中心ICRDSha nghai內(nèi)容光子集成回路(Photon Integrated Circuit, PIC)和光電子集 成回路(Optic Electronics Integrated Circuit, OEIC)不僅可 以在大容量、高保密的光纖通信中應(yīng)用，而且能在光學(xué)遙 感、傳感，光互聯(lián)、光計(jì)算、光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及光電顯示等領(lǐng) 域發(fā)揮重要作用。PIC和OEIC是在光纖通訊和計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展下提出來(lái) 的.在電子計(jì)算機(jī)中列入光互連，被稱為混合光/電子計(jì)算 機(jī).用PIC取代集成電路，就是光計(jì)算機(jī)。無(wú)論用PIC還是 OEIC取代集成電路，開展硅基PI

2、C、OEIC的研究是必由 之路。簡(jiǎn)介硅基PIC、硅基OEIC芯片包括異質(zhì)結(jié)晶體二極管電路、激光二極 管及其驅(qū)動(dòng)/保護(hù)電路、光放大器、調(diào)制器、光開關(guān)、耦合器、快速 光探測(cè)器，小面反射器、分束/合束器、光波導(dǎo)、光纖等，技術(shù)上與 微電子工業(yè)的CMOS工藝兼容，只需對(duì)光波導(dǎo)器件、光探測(cè)器 件作適當(dāng)調(diào)整材料OEIC所使用的材料有IV族的Si、Ge和IV族化臺(tái)物的GaAs、InP及其三、元合金等半導(dǎo)體材料。由于硅具有更高程度的晶體完整性、優(yōu)良的機(jī)械。熱學(xué)性能和大尺寸以 及硅微電子技術(shù)的成熟性，在目前的PIC、OEIC研究中更加受到重視。上海集成電路研發(fā)中心ICRDSha nghai1 1 外延硅材料(ns

3、i / n+si、psi / p+si)利用SiH4、SiCI4在約1160C溫度下的分解井同時(shí)摻雜，可在商 業(yè)n+Si、p+S片上沉積而得nsi/n+Si、pSi/p+Si襯底摻雜高 達(dá)10+19cm-3,外延層摻朵可低到10+13cm-3o對(duì)本征Si單 晶，A=1.30um.其折射率n=3.505； A=1.55um ,其折射率 n=3.480；由于自由載流子濃度的增加，其折射率下降(An)和 吸收系數(shù)增大(Aa),這稱之為等離子體色散效應(yīng)。n可達(dá)10e2量級(jí)，所以等離子體色散效應(yīng)是比較明顯并 可以利用的，可用于制作Si外延光波導(dǎo)及硅電學(xué)調(diào)制開關(guān)等有 源或無(wú)源器件外延硅波導(dǎo)材料主要是微電子

4、工業(yè)用的si (111)(用于CMOS電路).Si(100)(用于雙極型電路)片。外延硅波導(dǎo)器件的插入損耗低，與光纖的耦臺(tái)效率高。但由 于襯腐高濃度的載流子對(duì)光能量吸收使傳輸損耗過(guò)大，其波導(dǎo) 芯與包層的相對(duì)光折射率差較小，導(dǎo)致彎曲光波導(dǎo)的曲率半徑 大，器件的尺寸也就大.制約了集成度的提高。SOI光波導(dǎo)材料SOI(Silicon on InsulatoT)波導(dǎo)材料的制備方法有區(qū)熔再結(jié)晶(ZMR)、直接鏈合 與背刻蝕(SDBBE)、氧離子注入隔離(sIMOx)等。zMRsOI光波導(dǎo)的損耗 太大.sDBBEsOI的硅單晶層質(zhì)量好，但丿孚度及其均勻性的控制較難。相 對(duì)而言，SIMox-sOI是比較理想

5、的光波導(dǎo)材料，但是由于氧離于注入形成的 siO2層的厚度一般不超過(guò)0.5um,它對(duì)光的限制還相當(dāng)有限。另外.由于單模 條件的限制，且s與Sioz的折射率差別很大，導(dǎo)光的st層僅需要不足0.3um 厚.其脊形波導(dǎo)與光纖耦合時(shí)需用過(guò)渡透鏡等光學(xué)元件，sOI光波導(dǎo)分為平板 波導(dǎo)和條形波導(dǎo)。對(duì)于sOI平板光波導(dǎo)而言，根據(jù)模色散曲線的重合性，SiOo 層只需o2pm就足夠厚了m。sOI平板光波導(dǎo)中導(dǎo)波層的吸收損耗中t本征吸 收限為1. 1pm不在1. 3-1. 6啪的窗口，所以本征吸收是根小的。非本征 吸收在室溫時(shí)主要是自由裁流子吸收。sOI平板光波導(dǎo)導(dǎo)模的尊?？偽論p耗 vo2dB-cm, slOo屢

6、有泄露損耗”。A, FEva璐等m3通過(guò)調(diào)節(jié)sOI脊 型波導(dǎo)的寬高比，研制的大截面sOI脊型光波導(dǎo)對(duì)x二1. 31pm光的TE。(TM。) 模的傳輸損耗6 dBcm。上海集成電路研發(fā)中心si基siO2光波導(dǎo)材料ICRDSha nghaisi基siO2光波導(dǎo)材料已廣泛用于研制光干涉儀、熱光開關(guān)陣列、分/臺(tái)束器、放大 器、窄帶濾波器、方向耦臺(tái)器、陣列波導(dǎo)光柵(AwG)等光通訊用器件以及諧振型光 學(xué)陀蝶儀的壞形諧振腔等.其制備方法有火焰水解法(FHD)、化學(xué)氣相沉積(cVD)、 溶膠凝膠法(sol Gel)等。FHD工藝是通過(guò)控制H2、02、sicl4的流量在si襯底上沉積并經(jīng)過(guò)高溫固化后得到 達(dá)幾

7、十um厚的SI02薄膜。此法可以摻GeO2或TQ2來(lái)調(diào)節(jié)折射率，結(jié)合RIE工藝可 以制作損耗小于0,6dB-cm-1(A=1.55um)的二維或三維波導(dǎo)。slO2層的殘余應(yīng)力、 均勻性等影響光傳輸?shù)囊蛭膳c制備工藝的關(guān)系有待深入研究與實(shí)踐。CVD:蒸發(fā)正硅酸乙脂(TEOS)形成sio2過(guò)渡層(約10um)到si襯底上，再沉積摻錯(cuò)的 SQ2層作為波導(dǎo)層，利用圖形掩膜并經(jīng)過(guò)刻蝕形成波導(dǎo)條后再沉積不摻雜siOz包 層，所得的3dB分束器的損耗低于.05dBcrm此法的最大優(yōu)點(diǎn)是與半導(dǎo)體工藝相 容，沉積的siO：膜厚及膜的殘余應(yīng)力可控。采用SolGel工藝“63制備光波導(dǎo)材料的原料有正硅酸乙脂(TEos

8、AP級(jí))、乙醇 (cP級(jí))與異丙醇(cP級(jí))的混合物、去離子水、鹽酸(AP級(jí).作催化劑用)，用Sol- Gel 工藝得到凝膠膜后, 在有一定濕度的氣氛中進(jìn)行熱干燥處理，攝后得到SiO： 光波導(dǎo)薄膜材料?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整原料配比、控制干燥過(guò)程的相對(duì)濕度和升溫速率來(lái) 調(diào)控材料的應(yīng)力以至于不開裂，但厚度難以控制，制各材料的時(shí)間較長(zhǎng)(數(shù)天)，波 導(dǎo)層與包層的折射率匹配不易調(diào)控。因?yàn)閟i與sio。的晶格常數(shù)的差異，So J一6eJ 工藝制備的SiOz層的厚度通常只有不足Ipm,太厚容易產(chǎn)生鑼斟審閒路研發(fā)中心 二者折射事相差太大而引起輛臺(tái)失配.Si基GaAs / GaAIAs光波導(dǎo)材料ICRDSha ngha

9、i迄今為止，GeSi材料已廣泛用于研制光波導(dǎo)，MQw紅外光探測(cè)器、光 波導(dǎo)調(diào)制器、光波導(dǎo)定向耦合器、X和丫型光波導(dǎo)分支器。研制GexSil- x/Si光波導(dǎo)材料的方法有MEB份子束外延）、CVD、Ge擴(kuò)散法等.MOCVD制備丁高性能的GaAs / GaAIAs / GaAs / Si材料。其制備步驟為: 用直接生長(zhǎng)法在1000o c的H。+AsH：氣氛下對(duì)硅片預(yù)處理； 在400-450C的TMG+H2+ASH3氣氛下生長(zhǎng)過(guò)渡層2025nm在700-750C的TMG+H2+ASH3氣氛下生長(zhǎng)GaAs層1.015um； 在720-750C 的 TMG+H2+TAM+ASH3 氣氛下生長(zhǎng) GaozA

10、loaAs 層約 2.0um；在700-750C的TMG+H2+ASH3,氣氛下生長(zhǎng)GaAs波導(dǎo)層0.42um。 上海集成電路研發(fā)中心ICRDSha nghai硅基光波導(dǎo)器件的結(jié)構(gòu)決定了它的用途，其性能的差異決定于構(gòu)成硅基光波 導(dǎo)材料的微結(jié)構(gòu)及其材料各層之間的界面，這與材料的加工及成型技術(shù)密不 可分.當(dāng)前的三屢結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)，是利用薄膜淀積技術(shù)先在襯底上生長(zhǎng)過(guò)渡層 再生長(zhǎng)芯層,或者直接生長(zhǎng)芯層，經(jīng)過(guò)十法或者濕法腐蝕得到所需的波導(dǎo)芯 后再沉積包層（或以空氣作包層）。所得波導(dǎo)芯形狀主要是矩形或梯形，它與 包層的界面小是嚴(yán)格完整的圓柱面，它對(duì)光線的反射角不完壘相同，有些滿 足壘反射.其余的則不然，逸就引

11、起光波場(chǎng)分布的小均勻，因而有泄露波， 導(dǎo)致界面衰減波的玻印廷矢量不為0即存在光的隧穿效應(yīng).因此傳輸損耗 集中在光渡導(dǎo)與芯層的界面。不同的薄膜加工技術(shù)或者同一薄膜加工技術(shù)采 用不同的工藝參數(shù)，所得的波導(dǎo)芯與襯底丑包層的界面態(tài)就不同，所引起損 耗的大小隨之不同上海集成電路研發(fā)中心ICRDSha nghaiRFID芯片設(shè)計(jì)及制造技術(shù)20世紀(jì)70年代之前，曾認(rèn)為硅不具有線性光電效應(yīng)(Pocke I s效應(yīng))和受激輻射效應(yīng)， 很少開展硅基PIC、硅基0EIC的研究。主要集中在LiNb03或II-V族化合物的PIC、 OEIC上.從20世紀(jì)80年代后期開始，硅的上述兩個(gè)缺陷被克服。首先.硅的電光效應(yīng)已被發(fā)

12、現(xiàn)，即電場(chǎng)施加在光正在傳輸?shù)慕橘|(zhì)上引起光折射率的變化，分為兩類：直接 電光效應(yīng)電場(chǎng)直接引起介質(zhì)光學(xué)折射率的變化，如Kerr效應(yīng)；間接電光效就一一 電場(chǎng)間接引起介質(zhì)折射率的變化.包括FranzKeldysh效應(yīng)和等離子體色散效應(yīng)(the Plasma Dispersion Effect,也稱為載流子折昴效應(yīng)(the carr ier Ref recti on Effect) o其中等離子體色散效應(yīng)相當(dāng)顯著，足以實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制。其次，納米多孔基 及納米顆?；璨牧系陌l(fā)光現(xiàn)象已被發(fā)現(xiàn)。硅材料還具有其它獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn).作為半導(dǎo) 體領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的一種材料，其成本低、加工工藝最為成熟。在1.31.6um的波

13、 長(zhǎng)范圍內(nèi)，硅是透明的，正處于石英光纖長(zhǎng)波(1=1.31um, 1. 55um)低損耗窗口的范圍。 硅還是光電轉(zhuǎn)換材料，可用于制各液晶顯示器(LCD)、太陽(yáng)能電池等。1.31.6um波 段的全硅雪崩二極管PtS i肖特基二極管探測(cè)器業(yè)已應(yīng)用，可以相信研制1.31.6um波 段的硅集成光路成為可能.上海集成電路研發(fā)中心ICRDSha nghai集成片上天線設(shè)計(jì)及制造技術(shù)硅基材料從微電子領(lǐng)域拓展到硅基光電子領(lǐng)域的研究進(jìn)展神速。 GeSi/S i超晶格和低維S i材料的發(fā)光現(xiàn)象已被發(fā)現(xiàn)，可以作為PIC、OEIC的光源。GeSi/Si多量子阱(MQW)波導(dǎo)探測(cè)器及其與波導(dǎo)的耦合器件已研制成功.開始向探

14、測(cè)器陳列發(fā)展；PtSi/Si肖特基勢(shì)cm>壘光電二極管(SBT)實(shí)用器件的探測(cè)范圍可達(dá)16um. I rSi/Si肖特基勢(shì)壘探測(cè)器的探測(cè)范圍可達(dá)1113. 2um,它在814um范圍有巨大潛力。硅基光波導(dǎo)的傳輸損耗已降至1dB. cm.其制備技術(shù)與硅微電子技術(shù)兼容，為進(jìn)一步研制相關(guān)的PIC、OEIC器件奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。Si基S0光波導(dǎo)(如陣列波導(dǎo)光柵，AWC)已推向市場(chǎng)，推動(dòng)了硅基光波導(dǎo)研究的迅猛發(fā)展。上海集成電路研發(fā)中心ICRDSha nghai國(guó)內(nèi)外研究情況=1目前.目外已有日本的NTT、美國(guó)的Bell實(shí)驗(yàn)室、韓國(guó)的QSI公司開展硅基PIC、硅基OEIC的研制；國(guó)內(nèi)也有中國(guó)科學(xué)院半

15、導(dǎo)體所的王啟明小組、西安交通大學(xué)的劉恩科小組、天津大學(xué)的楊恩澤小組、浙江大學(xué)的何賽靈小組以及中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，長(zhǎng)春物理研究所等單位開展了相關(guān)的研究上海集成電路研發(fā)中心ICRDSha nghai上海集成電路研發(fā)中心ICRDSha nghai上海集成電路研發(fā)中心ICRDSha nghai上海集成電路研發(fā)中心ICRDSha nghai實(shí)例封裝方法一、目前發(fā)展的趨勢(shì)：為了適應(yīng)更小尺寸的RFID芯片，有效地降低生產(chǎn)成本，采用芯片與天線基板的鍵合封裝分為兩個(gè)模塊分別完成。二、兩種具體做法：1、（中國(guó)專利）大尺寸的天線基板和連接芯片的小塊基板分別 制造，在小塊基板上完成芯片貼裝和互連后，

16、再與大尺寸天線基 板通過(guò)大焊盤的粘連完成電路導(dǎo)通。2、將芯片先轉(zhuǎn)移至可等間距承載芯片的載帶上，再將載帶上的 芯片倒裝貼在天線基板。1、日立新技術(shù)，“卩-芯片”上形成天上海集成電路研發(fā)中心ICRDSha nghai實(shí)例摘自：日經(jīng)BP社報(bào)道03. 09. 04利用鍍金形成天線：先用絕緣膜覆蓋在電路上， 然后再在上面利用鍍金形成 螺旋狀天線。0. 25umCM0S工藝外徑：0. 4mm,圈數(shù)：3應(yīng)用頻率：2.45GHz最大的通訊距離：about 25 cm (with an externa I antenna)響應(yīng)時(shí)間：20msec上海集成電路研發(fā)中心ICRDSha nghai實(shí)例2、非接觸式IC卡

17、的片上天線1上海集成電路研發(fā)中心ICRDSha nghai實(shí)例上海集成電路研發(fā)中心ICRDSha nghai實(shí)例摘自：倪昊、徐元森，半導(dǎo)體 學(xué)報(bào),Vol.24, No.5, May, 2003在貝嶺1.2umEEPROM工藝線上流片；n=30, l=3mm, w=7.4um, e =1.8um；天線等效而積A=236.8mmLs = 3.79nH, Rs = 1.4kQ, Cox =51.3PF；在 13.56MHz V2p_p=20V,負(fù)載電阻4KQ, K=0.6條件下，經(jīng)全波整流并計(jì) 入整流損耗0.7V后，負(fù)載兩端的電壓為5.4V,負(fù)載上的功率為7.3mWo上海集成電路研發(fā)中心ICRDSha nghai實(shí)例3、非接觸式IC卡的片上天線2仿真結(jié)果采用