2. Качественная основа компонетов интегральной фотоники
Гетероструктуры и структуры на основе кремния. Структура кремний на изоляторе КНИ и её разновидности. Перспективы структур КНИ в качестве основы элементной базы интегральной фотоники.
В предыдущих разделах работы было показано, что объединение в одном устройстве компонентов, оперирующих как электронами, так и фотонами, а в перспективе – переход на полностью фотонные интегральные схемы является закономерной тенденцией и, по-видимому, представляет собой наиболее оптимальный и перспективный способ справиться со всевозрастающими потоками используемой обществом информации и удовлетворить закону Мура [9]. Так как интеграция фотонных и электронных компонентов закономерно происходит на единых подложках из полупроводниковых материалов, а фотонные интегральные компоненты изготавливаются с применением технологий изготовления интегральной электроники, необходимо рассмотреть качественную основу интегральной фотоники. Такой основой, в зависимости от исполнения, могут быть гетероструктуры и структура кремния на изоляторе или КНИ (Silicon On Insulator, SOI).
Прежде всего, хотелось бы рассмотреть гетероструктуры, и в частности, пару соединений – GaAs и AlAs, так как на основе этих соединений создана как электронная элементная база, так и полупроводниковые диоды и лазеры, что является несомненным преимуществом при создании электронно-фотонных устройств [18]. Существует ещё целый рад преимуществ подобных гетероструктур, которые рассмотрены в работе [26]. Приведём только основные:
сплав Ga1-xAlxAs с непостоянным содержанием алюминия ввиду почти одинаковых постоянных решёток (GaAs – 5,646 Å, AlAs – 5,369 Å) можно выращивать эпитаксиально с минимальными граничными напряжениями в кристаллических решётках, что позволяет уменьшить коэффициент затухания сигнала в создаваемых оптических волноводах и межсоединениях, а также избежать рассеяния излучения на дефектах кристаллической решётки;
при этом арсенид галлия и арсенид алюминия имеют прямозонную структуру, что, как известно, допускает энергетические переходы электронов из зоны проводимости в валентную зону с испусканием фотонов (в случае арсенида галлия с длиной волны 0,91 мкм, арсенида алюминия – вплоть до 0,65 мкм);
достигаемый диапазон длин волн испускаемых фотонов от 0,65 до 0,91 мкм перекрывает частоту (соответствующую длине волны 0,85 мкм) минимального поглощения большинства используемых на практике стекол (рис. 6);
также следует обратить внимание и на то, что галлий-алюминий-арсенид оптически прозрачен в диапазоне длин волн от 0,6 до 12 мкм, а его показатель преломления изменяется в значительном диапазоне при изменении доли алюминия, что позволяет создавать волноводы с различными коэффициентами затухания, реализуя таким образом аналоги электронных приборов и компонентов.
Рисунок 6. График зависимости затухания в кварцевом волокне от длины волны и три окна прозрачности.
Однако, несмотря на указанные преимущества гетероструктур, в сравнении со структурами КНИ, их производство дороже вследствие многократной лучевой эпитаксии, менее масштабно, а дефектность даже самых лучших образцов структур заметно уступает структурам на основе кремния. Это и определяет, в конечном итоге, выбор инженеров в пользу структур КНИ в качестве основы для фотонных и фотонно-электронных интегральных схем.
Структуры КНИ, в свою очередь, представляют собой кремниевую подложку со сформированными тем или иным образом слоем промежуточной изоляции и вышележащим слоем кремния (рис. 7)
Рисунок 7. Структурная схема подложки, выполненной по технологии КНИ (поперечное сечение)
В качестве изолятора может выступать как диоксид кремния SiO2, так и сапфир. При этом в последние два десятилетия, ввиду значительного уменьшения потребности в пластинах с сапфировой изоляцией, условились обозначать как КНИ – пластины с диоксидом кремния, а КНС (кремний на сапфире) – пластины на сапфире. Так как пластины КНИ с диоксидом кремния в качестве слоя изоляции представляют собой идеальную основу для формирования планарных оптических волноводов, рассмотрим историю их появления и эволюцию данной технологии.
Впервые идея разместить сплошной слой диоксида кремния ниже уровня стоков и истоков МОП-транзисторов с целью уменьшения паразитных ёмкостей и предотвращения эффекта паразитного биполярного транзистора была предложена на фирме IBM (IBM Research Division) в 1989 году [27]. Внедрение данной технологии в микроэлектронике позволило бы:
поднять верхний температурный предел для интегральных схем с 125оС до 300-400оС;
уменьшить токи утечки в компонентах интегральных схем;
значительно увеличить радиационную стойкость электронных интегральных компонентов.
Поэтому уже в 1994 году IBM представила свой первый прототип процессора с технологической нормой 350 нм на основе КНИ-подложки, но, вследствие плохой воспроизводимости электрофизических параметров от подложки к подложке, серийное производство КНИ-процессоров началось лишь в 1998 году с модели PowerPC c технологической нормой 220 нм. Данный процессор оказался на 30% быстрее аналога на основе объёмного кремния, что подтвердило перспективность развития данного направления. Впоследствии моногие мировые производители, в том числе такие известные, как Toshiba, AMD, SONY также освоили производство процессорной техники на основе структур КНИ.
До настоящего времени разработано несколько способов получения пластин с изоляцией диэлектриком или, в соответствии с принятой в отечественной литературе терминологией, пластин со скрытым диэлектриком. Одной из таких технологий является технология имплантации ионов кислорода в объём кремниевой подложки с последующим отжигом SIMOX(Separation by IMplantation of OXygen). Технология SIMOX была разработана двумя независимыми коллективами в Японии в 1966 году (М. Wanatabe, A. Tooi) [28] и в СССР в 1967 (П.В. Павлов, Э.В. Шитова) [29], однако при проведении этих исследований не стояла задача получения структур КНИ. И тем не менее, эти работы стали основой для последующих разработок фирмы IBM.
Существенным недостатком технологии SIMOX являлась высокая дефектность конечной структуры, вызываемая ионной имплантацией, что и явилось препятствием в освоении IBM серийного производства процессоров на КНИ. Поэтому в 1995 году была запатентована технология ITOX-SIMOX (Internal Thermal Oxidation). Новая технология предполагала уменьшение дозы имплантируемых ионов и одновременный подогрев подложки до температуры 550 - 650оС. Так удалось уменьшить дефектность пластин, однако при этом возросла стоимость их изготовления.
Другой, более перспективный путь создания пластин КНИ предполагает операцию твердофазного сращивания при высокой температуре двух пластин гомогенного кремния, поверхность одной из которых предварительно термически окислена, с последующим травлением приборного слоя кремния. Данная идея была предложена в 1986 году независимыми коллективами из IBM [30] и Toshiba [31] также для решения других целей и задач. При этом с точки зрения создания пластин КНИ данный метод значительно дешевле чем SIMOX и ITOX-SIMOX и позволяет получить более однородные пластины с более чёткими границами раздела полупроводник-диэлектрик.
Ещё один способ формирования пластин КНИ, называемый технологией управляемого скола (Smart Cut), был предложен в 1995 году М. Брюэлем, специалистом Soitec [32]. Данный способ аналогичен предыдущему за исключением введения операции внедрения ионов водорода в слой диоксида кремния на одной из подложек, за счёт которого впоследствии при сращивании пластин создаётся область управляемого скола, по которому происходит отделение части кремния будущего приборного слоя от пластины. Данный метод позволяет формировать наименее тонкий приборный слой, обеспечивая тем самым возможность масштабировать электронные компоненты, уменьшать их.
Из перечисленных технологий создания подложек КНИ в настоящее время наибольшее распространение получили технологии термического сращивания пластин и SmartCut. эти технологии обеспечивают минимальный уровень дефектов в объёме структуры при минимальной стоимости производства пластин. Эти преимущества являются ключевыми не только при создании компонентов электроники, но и для интегральных фотонных устройств, позволяя создавать планарные волноводы с малыми коэффициентами поверхностного искривления и затухания сигнала, модуляторы и ветвления. При этом кремниевая технология позволяет производить фотонные устройства массово, в отличие от гетероструктурной технологии.