硅基光电集成

硅基光电集成第1页，课件共21页，创作于2023年2月内容

光子集成回路(PhotonIntegratedCircuit，PIC)和光电子集成回路(OpticElectronicsIntegratedCircuit，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，课件共21页，创作于2023年2月简介硅基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，课件共21页，创作于2023年2月材料OEIC所使用的材料有Ⅳ族的Si、Ge和I～V族化台物的GaAs、InP及其三、四元合金等半导体材料。由于硅具有更高程度的晶体完整性、优良的机械。热学性能和大尺寸以及硅微电子技术的成熟性，在目前的PIC、OEIC研究中更加受到重视。第4页，课件共21页，创作于2023年2月硅基光波导材料及其光传输损耗1．1外延硅材料(n—si／n+一si、p—si／p+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，λ=1.30um．其折射率n=3.505；λ=1.55um，其折射率n=3.480；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，课件共21页，创作于2023年2月SOI光波导材料SOI(SilicononInsulatoT)波导材料的制备方法有区熔再结晶(ZMR)、直接链合与背刻蚀(SDB—BE)、氧离子注入隔离(sIMOx)等。zMR—sOI光波导的损耗太大．sDB—BE—sOI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o．2pm就足够厚了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<o．2dB·cm～，sIO。屡有泄露损耗”⋯。A，F．Eva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二1．31pm光的TE。(TM。)模的传输损耗≤2．6dB·cm。第6页，课件共21页，创作于2023年2月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．其制备方法有火焰水解法(FHD)、化学气相沉积(cVD)、溶胶凝胶法(soIGel)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0.6dB·cm-1(λ=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分束器的损耗低于．05dB·cm。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Sol—Gel工艺“63制备光波导材料的原料有正硅酸乙脂(TEos·AP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Sol—Gel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，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，课件共21页，创作于2023年2月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，课件共21页，创作于2023年2月Si基GaAs／GaAIAs光波导材料MOCVD制备丁高性能的GaAs／GaAlAs／GaAs／Si材料。其制备步骤为：①用直接生长法在1000。c的H。+AsH：气氛下对硅片预处理；②在400～450c的TMG+H2+AsH3气氛下生长过渡层20～25nm⑤在700～750C的TMG+H2+AsH3气氛下生长GaAs层1.0～1.5um；④在720～750C的TMG+H2+TAM+AsH3气氛下生长Ga0.7AI0.3As层约2.0um；⑤在700～750C的TMG+H2+AsH3，气氛下生长GaAs波导层0.42um。第9页，课件共21页，创作于2023年2月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，课件共21页，创作于2023年2月20世纪70年代之前，曾认为硅不具有线性光电效应(Pockels效应)和受激辐射效应，很少开展硅基PIC、硅基OEIC的研究。主要集中在LiNbO3或Ⅱ一V族化合物的PIC、OEIC上．从20世纪80年代后期开始，硅的上述两个缺陷被克服。首先．硅的电光效应已被发现，即电场施加在光正在传输的介质上引起光折射率的变化，分为两类：直接电光效应——电场直接引起介质光学折射率的变化，如Kerr效应；间接电光效就——电场间接引起介质折射率的变化．包括FranzKeldysh效应和等离子体色散效应(thePlasmaDispersionEffect，也称为载流子折射效应(thecarrierRefrectionEffect)。其中等离子体色散效应相当显著，足以实现电光调制。其次，纳米多孔基及纳米颗粒基硅材料的发光现象已被发现。硅材料还具有其它独特的优点．作为半导体领域中应用最广泛的一种材料，其成本低、加工工艺最为成熟。在1.3～1.6um的波长范围内，硅是透明的，正处于石英光纤长波(1=1.31um，1.55um)低损耗窗口的范围。硅还是光电转换材料，可用于制各液晶显示器(LCD)、太阳能电池等。1.3～1.6um波段的全硅雪崩二极管PtSi肖特基二极管探测器业已应用，可以相信研制1.3～1.6um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，课件共21页，创作于2023年2月硅基材料从微电子领域拓展到硅基光电子领域的研究进展神速。GeSi/Si超晶格和低维Si材料的发光现象已被发现，可以作为PlC、0EIC的光源。GeSi/Si多量子阱(MQW)波导探测器及其与波导的耦合器件已研制成功．开始向探测器陈列发展；PtSi/Si肖特基势垒光电二极管(SBT)实用器件的探测范围可达1～6um．IrSi/Si肖特基势垒探测器的探测范围可达1.1～13.2um，它在8～14um范围有巨大潜力。硅基光波导的传输损耗已降至1dB.cm．其制备技术与硅微电子技术兼容，为进一步研制相关的PIC、OEIC器件奠定了坚实的基础。Si基SiO2光波导(如阵列波导光栅，AWC)已推向市场，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，课件共21页，创作于2023年2月目前．目外已有日本的NTT、美国的Bell实验室、韩国的QSI公司开展硅基PIC、硅基OEIC的研制；国内也有中国科学院半导体所的王启明小组、西安交通大学的刘恩科小组、天津大学的杨恩泽小组、浙江大学的何赛灵小组以及中国科学院上海微系统与信息技术研究所，长春物理研究所等单位开展了相关的研究国内外研究情况第13页，课件共21页，创作于2023年2月第14页，课件共21页，创作于2023年2月第15页，课件共21页，创作于2023年2月第16页，课件共21页，创作于2023年2月第17页，课件共21页，创作于2023年2月一、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：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，课件共21页，创作于2023年2月实例

1、日立新技术，“μ-芯片”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:about25cm(withanexternalantenna)

响应时间:

20msec

第19页，课件共21页，创作于2023年2月实例

2、非接触式IC卡的片上天线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