SOI 材料在光电子学中的应用.

SOI材料的应用贾大鹏董国龙杨晓龙杨辉目录概述热光器件电光器件亚微米波导器件与光纤的耦合光电子集成芯片SOI的高端应用概述1什么是SOI?SOI(SiliconOnInsulator),又称绝缘层上硅。一种新型结构的硅材料，通过在体硅中加入一层绝缘层，而具有一些特殊的性质。被称为有望替代体硅成为新一代的集成电路衬底材料。体硅SOI绝缘层（埋氧层）绝缘衬底上的薄膜硅材料（SOI）是一种新型的Si材料，作为绝缘体的材料通常为SiO2，也有采用SiON或蓝宝石(AL2O3)的，其中采用Si/SiO2/Si结构的SOI光波导研究得最多。早期的SOI材料主要是应用于微电子学技术中，SOI还可以制作各种高性能及抗辐射电子电路。20世纪90年代以后，SOI材料才开始用于导波光电子器件的研究，可以用来制作SOI光波导、SOI无源导波器件以及SOI有源导波器件(主要是调制器和光开关)。光调制器和光开关在工作原理及器件结构上都极为类似（光调制器可以看做1*1的光开关）近年来，随着硅基集成光学发展，SOI材料以其良好的导波性能在导波光学器件和光电子器件方面获得了越来越广泛的应用。2为什么是SOI?体硅的问题：超大规模集成电路取得快速发展的动力主要源于不断减小的器件尺寸和不断增加的芯片面积，当特征尺寸减小到100nm以下时会出现以下一系列问题。器件尺寸减小，导致热载流子效应，工作电源电压必须降低。为了保证电路性能阈值电压应随之降低，导致关态漏电流的迅速增加。体硅中的寄生可控硅闩锁效应。由于特征尺寸减小，电源电压降低导致软失效问题，降低了电路的抗干扰能力集成度的提高，导致电路功耗密度提高，由此引发的功耗热耗问题亟待解决。器件间隔离区占芯片面积比例增大，寄生电容增大。……2020年2月14日星期五热载流子效应：就是具有高能量的载流子，即其动能高于平均热运动能量（～kT）的载流子；因此其运动速度也一定很高。在半导体中，热载流子所表现出来的重要效应主要有两个方面：其一是非线性的速度-电场关系：Si中的载流子在高电场时即呈现出漂移速度饱和现象，这就是由于热载流子发射光学波声的结果。GaAs中的电子当被电场“加热”到能量kTe达到0.31eV时，即从主能谷跃迁到次能谷，从而产生负阻现象。2020年2月14日星期五其二是碰撞电离效应：热电子与晶格碰撞、并打破价键，即把价电子激发到导带而产生电子-空穴对的一种作用。这些热载流子效应所造成的影响，有的是很有用处的。例如n-GaAs中出现的负阻现象，即可用来实现所谓转移电子器件。利用MOSFET中的热载流子可以向栅氧化层注入的作用，能够制作出存储器。利用热载流子的碰撞电离效应，可以制造出雪崩二极管等器件。热载流子效应往往就是导致器件和集成电路产生失效的重要原因，所以是需要特别注意和加以防止的。SOI的技术优势：速度高----全耗尽SOI器件具有迁移率高、跨导大、寄生电容小等优点使SOI比CMOS具有极高的速度特性。功耗低----全耗尽SOI器件漏电流小，静态功耗小；结电容与连线电容均很小，动态功耗小。集成密度高----SOI采用介质隔离，不需要制备体硅CMOS电路的阱等复杂隔离工艺，器件最小间隔仅取决于光刻和刻蚀技术的限制。成本低----SOI技术除了衬底材料成本高于硅材料外，其他成本均低于体硅。SOICMOS的制造工艺比体硅至少少3块掩模板，减少13~20%的工序。抗辐照特性好---全介质隔离结构，彻底消除体硅电路中的闩锁效应。且具有极小的结面积，因此具有非常好的抗软失效，瞬时辐照和单粒子翻转能力。……概述热光器件电光器件亚微米波导器件与光纤的耦合光电子集成芯片SOI的高端应用热光器件热光器件指的是利用材料的热光效应所制成的光波导器件。所谓热光效应是指光介质的光学性质(如折射率)随温度变化而发生变化的物理效应，典型的硅基热光开关材料有SiO2、Si等。硅基热光波导器件相对于其他类型的光开关调制器件优点：制作简单、成品率高、成本低、易于集成缺点：开关时间长(毫秒，微秒量级)，但是这些缺点在一定程度上可以通过结构上的精心设计加以改进。MMI－MZI型2×2开关单元的结构示意图虽然热光器件制作简单，但由热光效应所决定了其器件响应速度相对较慢。概述热光器件电光器件光电子集成芯片亚微米波导器件与光纤的耦合SOI的高端应用高速电光调制器不仅是未来光交叉互连(OXC)和光分插复用(OADM)系统中的核心器件，而且在芯片光互连和光计算技术中也具有很大的应用前景。目前高速的光调制和开关一般都是利用硅材料的等离子色散效应来实现。通过在光波导上集成不同的电学结构可以实现自由载流子的注入、积累、耗尽或反转，使载流子浓度发生改变，从而引起折射率(或吸收系数)的相应变化。常用的电学结构有正向偏置PIN二极管、反向偏置PN结、MOS电容以及场效应晶体管(FET)等Intel公司的40Gb/s高速反向PN结型调制器概述热光器件电光器件亚微米波导器件与光纤的耦合光电子集成芯片SOI的高端应用早期的硅基光波导主要大截面的SOI脊形波导，其制作工艺简单，同单模光纤的耦合匹配良好,但是硅波导器件的尺寸也受限于较大的波导截面，波导弯曲半径通常在毫米或厘米量级才能将弯曲产生的辐射损耗控制在可以接受的范围，非常不利于大规模集成目前横截面尺寸仅为510nm×226nm的SOI条形波导的传输损耗已经减小到1.7dB/cm，半径为1μm的亚微米SOI波导的弯曲损耗也仅为(0．086±0．005)dB/90°.亚微米波导器件与光纤的耦合光栅耦合器的研究有助于解决亚微米器件和光纤的耦合问题，如果能够将耦合损耗降低到更理想的程度，相信很快会有更多高性能的SOI光子器件被报道出来。概述热光器件电光器件亚微米波导器件与光纤的耦合光电子集成芯片SOI的高端应用各种性能优异的分立器件的研究成功也催生了硅基光电子成芯片的重大突破，如图为集成4×10Gb/s波分复用(WDM)光收发器它共有4个传输通道，每个通道都可以实现低误码率﹙BER＜10－12﹚的高传输速率(10Gb/s)，波分复用后，总的数据传输率就达到了40Gb/s。概述热光器件电光器件亚微米波导器件与光纤的耦合光电子集成芯片SOI的高端应用•国际SOI市场95%的应用集中在8英寸和12英寸大尺寸薄膜SOI，其中绝大多数用户为尖端微电子技术的引导者，如IBM、AMD等。•目前供应商为法国SOITEC、日本信越（SEH）、日本SUMCO，其中SOITEC前两家供应了几乎全部的SOI产品。其主要驱动力来自于高速，低功耗SOI电路，特别是微处理器（CPU）应用，技术含量高，附加值大。例如，2005-2006财务年度SOITEC公司销售的SOI圆片，12英寸占60%，8英寸占28%，其他占12%。可见，SOI的高端应用，主要是需要12英寸的圆片。•IBM和AMD等公司是SOI技术的主要推动者。IBM在其纽约的12英寸生产线100%采用SOI材料以替代硅衬底材料，用SOI技术推出了新型AS/400服务器系列，比目前的高端机型的速度几乎快出4倍。•IBM、SONY、TOSHIBA联合开发SOI上90～45nm线宽的技术，并将S0I技术引入电子消费类芯片的生产中，市场非常广阔。Fig.1来自SOITEC，全球300mmSOI硅片使用商