Гибридная интеграция вертикально излучающих лазеров на поверхность кремниевых интегральных схем для создания оптических линий передачи данных

В последнее время стало понятно, что дальнейшее улучшение производительности систем на основе интегральных схем (ИС) зависит от параметров шин обмена данными. Увеличение длины или плотности электрических линий передачи данных приводит к увеличению паразитной емкости и сопротивления используемых соединений. Было неоднократно продемонстрировано, что высокоскоростной обмен данными на относительно значительные расстояния является узким местом при создании высокопроизводительных вычислительных систем. Эмпирическая формула Bmax=500-A/L2, полученная Б. Смитом и Д. Миллером позволяет вычислить максимальную полосу пропускания электронных систем. В данной формуле, А — площадь поперечного сечения провода, L — его длина. Как легко видеть, максимальное число соединений, которое можно обеспечить при использовании проводов диаметром сто микрометров, расположенных без какого либо зазора по периметру ИС размером 10×10 мм, равно 400. Таким образом, полоса пропускания данной ИС ограничена 150 гигабитами в секунду, если передача данных осуществляется на расстояние 10 см.

Необходимо найти новые решения, позволяющие осуществлять высокоскоростной обмен данными на различных уровнях системной интеграции: между платами, между ИС на плате и внутри ИС [1]. Использование медных соединений вместо алюминиевых, равно как и использование диэлектриков с низким значением диэлектрической проницаемости, в настоящее время являются решением данной проблемы для соединений внутри ИС. Замена электронов фотонами, возможно, является наилучшим решением для всех остальных уровней интеграции. Электроны, обладающие массой и зарядом, взаимодействуют друг с другом и с узлами кристаллической решетки. Фотоны, в отличие от электронов, не обладают ни массой покоя, ни зарядом и, практически, не взаимодействуют между собой, что делает их идеальными для осуществления переноса информации. Оптические линии, находящиеся в свободном пространстве, могут произвольно пересекаться, что позволяет формировать любую желаемую топологию. В настоящее время оптические соединения демонстрируют обнадеживающие результаты в области обмена информацией между ИС. Было показано, что критическая длина, на которой оптические соединения становятся более выгодны чем электрические, составляет порядка 1−5 см [2,3].

Поскольку кремниевая технология в данный момент является наиболее развитой и приспособленной для нужд микроэлектроники, очевидно, что кремний будет оставаться основным материалом для изготовления ИС, по крайней мере, в течение нескольких десятилетий. Как известно, из-за непрямозонной структуры, изготовление высоэффективных светоизлучающих приборов на основе кремния представляет значительную трудность. С другой стороны, оптоэлектронные приборы на основе соединений третьей и пятой групп периодической системы, в основном галлий-арсениды, в настоящее время являются наиболее эффективными источниками оптического излучения. Возможность изготовления таких устройств на поверхности кремниевого чипа, является одним из наиболее многообещающих решений для дальнейшего улучшения производительности ИС путем значительного увеличения пропускной способности [4]. Изготовление фотодекторов не представляет значительной трудности, поскольку технология кремниевых фотоприемников является хорошо отработанной, однако, изготовление длинноволновых фотоприемников, равно как и высокочастотных фотодетекоторов так же может потребовать использование приборов на основе соединений АШВУ.

Одним из возможных путей получения светоизлучающих приборов на поверхности кремния является изготовление данных устройств из эпитаксиальной пленки соединений АШВУ, выращенной непосредственно на кремниевой ИС. К сожалению, из-за значительного рассогласования постоянной решетки (около 4% для кремния и галлий-арсенида), а так же из-за значительной разницы в коэффициентах термического расширения (2,6×10″ 6 для кремния [5] и 6.86×10″ 6 для галлий-арсенида [6]), эпитаксиальные пленки соединений AmBv, выращенные на поверхности кремния обладают значительным количеством дефектов [7]. Количество дислокаций может быть уменьшено путем использования переходных слоев [8] либо продольного эпитаксиального заращивания [9,10].

В первом из данных методов рост эпитаксиальной пленки начинается с галлий-арсенидного слоя, осажденного на поверхность кремния на относительно низкой температуре. Низкая температура уменьшает длину поверхностной диффузии осажденных атомов и, таким образом, позволяет получить более гладкую поверхность. В дальнейшем используется комбинация буферных слоев таких, как AlAs для сглаживания поверхности, SiGe для уменьшения рассогласования постоянной решетки или InGaP для компенсации термических напряжений. Так же, поскольку германий и галлий-арсенид являются практически согласованными по постоянной решетки, рост германиевого слоя на поверхности кремния является одним из широко используемых методов. К сожалению, использование данного метода не снимает проблему рассогласования коэффициентов термического расширения. Другим способом улучшения структуры выращиваемых материалов является бомбардирование растущей пленки пучком ионов аргона для подавления трехмерного роста [11]. Комбинация всех вышеописанных методов позволяет выращивать монокристаллический GaAs на поверхности кремния. Использование термоциклиования, чередующегося с ростом сверхрешеток AlGaAs, позволяет предотвратить распространение дислокаций. Пленка GaAs толщиной 4,5 мкм, выращенная на поверхности кремния используя напряженные слои InGaAs и термоциклирование чередующееся с ростом AlAs слоев, представлена на рисунке 1. Светлые линии соответствуют слоям AlAs, в то время как темные соответствуют напряженным слоям InGaAs.

Рисунок 1. Пленка GaAs толщиной 4,5 мкм, выращенная на поверхности кремния используя напряженные слои InGaAs и термоциклирование чередующееся с ростом AlAs слоев [9],.

Как легко видеть, верхняя часть выращенной структуры практически не содержит дислокаций, однако, поскольку продольный размер изображения составляет всего порядка 5 мкм, плотность дислокаций в данной структуре.

1 2 соответствует значению порядка 10 см Также остается проблема рассогласования коэффициентов термического расширения, что будет сильно влиять на надежность и эффективность изготовленных оптоэлектронных устройств.

Продольное эпитаксиальное заращивание является другим методом, позволяющим выращивать мо, но кристаллический GaAs на кремниевой пластине. Схематическая иллюстрация данного процесса представлена на рисунке 2. Начальный слой GaAs выращивается на поверхности германия осажденного на кремниевую пластину для уменьшения рассогласования решетки. Затем, тонкая пленка оксида кремния осаждается на поверхность GaAs. Путем фотолитографического процесса и травления, в осажденной.

Слой GaAs.

Маска оксида кремния ОД мкм.

Si.

— ч.

Y Ge 0,3 мкм.

Рисунок 2. Схематическая диаграмма, иллюстрирующая процесс продольного эпитаксиального заращивания. [12] пленке оксида кремния открываются окна и, во время дальнейшего роста GaAs, он преимущественно растет в окнах маски.

Поскольку рост происходит и в продольном направлении, то, после продолжительного роста, формируется непрерывная пленка GaAs [12]. Стоит отметить, что выращенный слой является напряженным из-за взаимодействия пленки оксида кремния с GaAs, растущим в продольном направлении [13]. Было показано, что деформация кристаллических плоскостей исчезает после удаления оксида кремния, однако, данная операция делает выращенную пленку намного более хрупкой, что приводит к значительным проблемам во время дальнейшей работы с ней [14].

Гибридная интеграция является принципиально отличным методом получения высокоэффективных оптоэлектронных приборов, таких как лазеры с вертикальным резонатором (вертикально излучающие лазеры (ВИЛ), VCSEL), на поверхности кремниевых ИС. В данном методе эпитаксиальный слой, выращенный путем гомоэпитаксии, которая позволяет получить практически идеальное качество выращенных структур, переносится на поверхность кремниевой ИС. Типичными способами, используемыми для этого, являются флип-чип бондинг и перенос тонких пленок. При использовании первого из этих способов структура, выращенная гомоэпитаксиально, приклеивается к кремниевой ИС эпитаксиальным слоем вниз, оставаясь при этом прикрепленной к подложке на которой она была выращена. Для скрепления двух структур используются различные материалы такие, как полимеры или металлы. В случае переноса тонких пленок эпитаксиальная пленка сначала, каким либо способом, отсоединяется от подложки, на которой она была выращена и, затем, переносится на поверхность кремниевой ИС для дальнейшей обработки. Флип-чип интеграция является полностью совместимой со стандартными процессами изготовления ИС и, поэтому, широко используется при изготовлении гибридно интегрированных приборов. Перенос тонких пленок используется намного реже, поскольку пленка, отсоединенная от подложки, обладая толщиной в несколько микрон, является очень хрупкой, что сильно затрудняет любые операции с ней. Поскольку, как было отмечено выше, оптоэлектронные структуры на основе соединений АШВУ, выращенные на поверхности кремния, обладают большим количеством дефектов, гибридная интеграция является наилучшим методом для изготовления высокоэффективных источников излучения (таких как лазеры) на поверхности кремниевых ИС, однако основным недостатком гибридной интеграции является отсутствие надежных методов, позволяющих осуществлять точное продольное и вертикальное совмещение двух структур, и скрепление двух разнородных материалов. Кроме того, остается проблема рассогласования коэффициентов термического расширения, приводящая к значительным механическим напряжениям в процессе работы гибридно интегрированных лазеров. Таким образом, цель данной работы заключается в разработке технологического процесса гибридной интеграции вертикально излучающих лазеров на основе соединений АШВУ на поверхность кремниевой пластины, позволяющего осуществлять надежную интеграцию массивов лазеров и совместимого со стандартными процессами изготовления кремниевых ИС.

Очевидно, что источники модулированного излучения должны быть полностью интегрированы с ИС, а не просто расположены рядом как отдельный чип, поскольку во втором случае необходимо будет осуществить электрическое соединение между двумя чипами, что возвращает нас к проблеме, которую мы пытаемся решить. Однако существуют вопросы, ответы на которые не так ясны. Не является очевидной необходимость удаления подложки, на которой оптоэлектронная структура была выращена. Более того, если структура была выращена, например, на GaAs подложке, то, после прикрепления структуры к кремниевой ИС, данная подложка может быть использована в качестве общего электрода для изготовленных приборов. Флип-чип бондинг требует выращивания структур излучающих свет в подложку, и некоторые исследователи объясняют необходимость удаления подложки ее непрозрачностью [15]. Так GaAs подложка демонстрирует значительное поглощение на длинах волн короче 980 нм. Было даже предложено использовать подложки из AlGaAs, которые являются прозрачными для более коротких длин волн [16]. К сожалению, механические напряжения оказываются значительными для приборов изготовленных без удаления подложки. Данные напряжения вызваны разницей в коэффициентах термического расширения двух скрепляемых материалов.

3.5. ВЫВОДЫ.

Третья глава посвящена предложенному новому методу удаления подложки — «oxidation lift-off». В ней подробно описывается процесс влажного продольного оксидирования. Обосновывается возможность использования данного процесса для удаления подложки при гибридной интеграции вертикально излучающих лазеров. Демонстрируется возможность значительного уменьшения числа технологических операций при использовании «oxidation lift-off». Предлагается технологический процесс изготовления гибридно интегрированных лазеров при помощи данного метода. Изготавливаются приборы и измеряются их оптические и электрические характеристики. Основные результаты, полученные в данной главе:

1. Влажное продольное оксидирование обладает крайне высокой селективностью по отношению даже к небольшому количеству А1 в слоях AIGaAs и может быть использовано для удаления подложки в процессе изготовления вертикально излучающих лазеров. При этом полученная поверхность является оптически гладкой.

2. Предложен новый процесс удаления подложки путем влажного продольного оксидирования специального слоя AlAs выращенного между подложкой и лазерной структурой — «oxidation lift-off». Данный процесс позволяет удалять подложку при гибридной интеграции вертикально излучающих лазеров с эпитаксиальными зеркалами и значительно сокращает число необходимых технологических операций.

3. Изготовленные при помощи «oxidation lift-off» гибридно интегрированные вертикально излучающие лазеры демонстрируют генерацию лазерного л излучения с плотностью порогового тока ~1500 А/см и крайне низкое электрическое сопротивление 100 Ом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Таким образом, основные результаты проделанной работы заключаются в следующем:

1. Предложен и реализован новый технологический процесс изготовления высокочастотных гибридно интегрированных вертикально излучающих лазеров при помощи полимерного адгезионного слоя и мокрого травления.

2. Термическое сопротивление гибридно интегрированных лазеров изготовленных с использованием данного процесса составляет 1,25 К/мВт, что является лучшим показателем для приборов, прикрепленных к кремниевой пластине при помощи полимерного слоя той толщины, что была использована в данном процессе.

3. Из изготовленных приборов получена генерация лазерного излучения с плотностью порогового тока -1300 А/см2.

4. Предложен и реализован принципиально новый метод удаления подложки — «oxidation lift-off».

5. Впервые скрепление пластин, удаление подложки, формирование оксидных апертур и вжигание контакта произведены в одном процессе.

6. Из приборов, изготовленных при помощи «oxidation lift-off», получена генерация лазерного излучения с плотностью порогового тока ~1400 л.

А/см. Изготовленные лазеры обладают крайне низким сопротивлением — 100 Ом.