Многослойная технология изготовления 3D оптоэлектронных чипов

Фотонные элементы применяются в телефонных и компьютерных сетях, где они управляют потоком информации, передаваемой по оптоволоконным линиям связи. Мониторы загрязнения, лазерные дальномеры, хирургические лазеры и DVD плееры – это другие примеры применения фотоники. Фотонные приборы сделаны на чипах, они подобны электрическим цепям, и представляют собой комбинацию таких элементов как лазерные диоды, волноводы и детекторы. Некоторые из этих цепей используют только оптические элементы, но в большинстве своём они – гибриды, включающие как фотонные так и электронные элементы.

Фото: ICT Results

По словам Гельмута Хеидрика из института связи в Берлине, проблема в том, что производство столь сложных приборов ограничивается отсутствием соответствующих технологий. В частности, фотонные компоненты основаны на специальных полупроводниках, таких как арсенид галлия (GaAs) или фосфид индия (InP), в то время как в производстве электронные компонентов пока используют кремний. А использование в одном устройстве элементов, сделанных из совершенно разных материалов, достаточно трудоемко и дорого.

Вместо того чтобы использовать 2 типа полупроводников в одном процессе, можно применять отдельные пластины, в составе каждой из которых лежит однородный материал, а затем эти пластины можно скрепить вместе. В июне 2004 года команда европейских ученых продемонстрировала, что эта технология связанных пластин может быть эффективна при производстве сложных многоуровневых фотонных устройств.

Микрокольцовые лазеры

Для демонстрации потенциала технологии связанных пластин, разработчики планируют произвести оптические элементы, известные как активные микрокольцовые резонаторы. Микрокольца, действующие как устройства накопления энергии, - ключевой часть лазеров. Они позволяют распространять широкополосные сигналы связи в диапазоне частот работы лазеров. Они также имеют большим потенциал, как преобразователи длинных волн для телекоммуникациях, и находят применение, как детекторы биологических и химических веществ.

Используя Inp и GaAs, группа WAPITI создала различные виды микроколец с радиусом менее 10 нанометров. 2-слойная технология позволила им создать микрокольца с вертикальным соединениям с прозрачными волноводами, которые переносят свет в и из микроколец. По сравнению с стандартной технологией горизонтальных связей в единственном уровне, вертикальные связи позволяют производить меньшие микрокольца, обеспечивающие большую скорость передачи данных. Исследователи протестировали свои микрокольцовые лазеры на нескольких мультиплексированных каналах с разделением по длине волны, и получили скорость передачи данных порядка 7 Гбит/с.

Синхронизация - одна из самых больших трудностей этой технологии. Каждый слой – пластина из полупроводникового материала, первоначально включает тысячи чипов. Только в конце процесса производства каждый чип отделяется и упаковывается. При размерах элементов цепей в 45 нанометров и меньше, точная синхронизация – досаточно сложная задача.

Поддержание синхронизации достаточно проблематично и в одном слое, при 2 слоях это становится нетривиальной задачей. Различные материалы пластин обладают различными параметрами теплового расширения, таким образом при функционировании цепи и нагревании ее элементов температурные изменения вызывают рассинхронизацию.

Используя литографию электронного луча, группа WAPITI получили неплохие результаты в синхронизации пластин InP и GaAs диаметром 55 мм - в настоящее время это стандартный размер пластин для этих материалов. Будущие разработки позволят увеличить размер этих пластин с 50 мм до 300 мм – стандартный размер кремниевых пластин.

Практическая технология

Хотя проект не рассчитан на практическое применение конечным пользователем, Хейдрик Уверен, что технология разработанная WAPITI очень перспективна и в коммерческом плане.

Партнеры по WAPITI в данный момент ищут коммерческую компанию, заинтересованную в развитии данного проекта. Применение этой технологии также предпочтительно и с экологической точки зрения. Обладая маленьким размером, микрокольцовые лазеры рассчитаны на выходную мощность менее 1 мВт, так как они не предназначены для связи на большие расстояния, требующие 6-30 мВт. Их высококачественные резонаторы, однако, чрезвычайно чувствительны к поверхностным модификациям, поэтому они найдут обширное применение как датчики биологических и химических веществ, считает Хейдрик.

Проект WAPITI, поддерживаемый ЕС, координируется институтом связи Фраунхофера имеет еще 4 института-партнера: Римский национальный институт по исследованиям и разработкам в области микротехнологий, институт Макса Планка микрофизики в Германии, Афинский университет, Кембриджский университет в Великобритании. Пятый партнер, EV Group из Австрии, участвовал в процессе соединения пластин. WAPITI проработал с июня 2004 до сентября 2007.