Кремниевая и арсенид-галлий-алюминиевая технология: создание М ЭФ СБИС VCSEL и М ФЭ СБИС Si. Часть 3

Лазеры вертикального излучения как генераторы многоканальных оптических сигналов – М ЭФ СБИС VCSEL

Одним из наиболее оптимальных решений в построении оптических соединений является использование матриц вертикально-излучающих лазеров. Вертикально-излучающие лазерные диоды VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) диапазона длин волн 850/980 нм в последнее время находят всё более широкое применение. Они стали базовыми приборами для оптоволоконных систем передачи данных на большие расстояния (сотни метров) со скоростями от сотен Мбит/с до 10 Гбит/с.

Разработанные 3D М ЭФ М VCSEL совместно с 3D М ФЭ СБИС Si функционального ряда используются для передачи информации в оптическом виде по многоканальным линиям связи. Схемотехнические решения конструкции подразумевают использование монтажа методом Flip-Chip матрицы ВИЛ для изготовления 3D М ФЭФ М функционального ряда.

Конструкция излучателя на основе VCSEL для матрицы 3D М ФЭФ М изображена на рисунке 11.
Рис. 11. Конструкция VCSEL для матрицы 3D М ФЭФ М

Технология изготовления VCSEL

В данной конструкции излучателя оптический резонатор VCSEL образован верхним оксидированным (AlO/GaAs) или полупроводниковым (AlGaAs/GaAs) распределённым брэгговским отражателем (РБО), нижним нелегированным полупроводниковым РБО AlGaAs/GaAs и активной областью с двумя контактными слоями n- и p-GaAs, содержащей одну или несколько квантовых ям (КЯ) InGaAs. Область протекания тока ограничивается в латеральном направлении оксидированными апертурами.

Технология изготовления матричных излучателей включает: получение эпитаксиальных структур VCSEL методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ), плазменное травление многоступенчатых матричных меза-структур, селективное оксидирование слоёв AlGaAs, формирование омических контактов к слоям n- и p-типа, пассивацию поверхности диэлектрическими плёнками и формирование контактных площадок. Кроме того, дополнительно используются технология формирования столбиковых выводов и технология пассивации слоем полиамида.

Основными операциями базового технологического процесса изготовления VCSEL для матрицы 3D М ФЭФ М являются:

выращивание эпитаксиальной структуры VCSEL методом МПЭ;
формирование первой меза-структуры (травление до p-слоя);
формирование второй меза-структуры (травление до n-слоя);
селективное оксидирование (формирование токовых апертур);
формирование p-контакта;
формирование n-контакта;
пассивация поверхности диэлектриком;
формирование металлизации контактных площадок;
пассивация полиамидом;
формирование столбиковых выводов;
контроль параметров VCSEL на пластине.

Перечень слоёв эпитаксиальной гетероструктуры для VCSEL-матрицы представлен в таблице 1.
Таблица 1. Перечень слоёв эпитаксиальной гетероструктуры для VCSEL-матрицы

В используемой конструкции VCSEL омические контакты формируются к скрытым слоям GaAs p- и n-типа. Поэтому необходима прецизионная и воспроизводимая технология травления многослойных гетероструктур с РБО, позволяющая формировать многоступенчатые меза-структуры. При этом требуемая точность по глубине травления составляет ~0,05 мкм.

Изоляция осуществляется травлением двухступенчатой меза-структуры. На рисунке 12 представлена микрофотография меза-структуры VCSEL после сухого травления.
Рис. 12. Микрофотография мезоструктуры VCSEL после сухого травления

Боковая поверхность мез пассируется слоем диоксида (SiO₂) или нитрида кремния (Si₃N₄). Площадка р-контакта размещена непосредственно над активной областью, что существенно улучшает отвод тепла от активной области VCSEL. При этом площадки контактов n- и p-типа расположены строго в одной плоскости, что принципиально для успешной реализации монтажа методом перевёрнутого кристалла (Flip-Chip).

Технические характеристики 3D М ЭФ СБИС VCSEL

3D М ЭФ СБИС VCSEL реализует передачу дискретных бинарных или многоуровневых амплитудно-модулированных информационных сигналов и предназначена для скоростного обмена информацией по многоканальным оптическим линиям связи. Для реализации этих целей кристалл содержит матрицу из 64 излучателей:

формат интегральной матрицы VCSEL составляет 8 × 8;
64 оптических независимых каналов вывода;
скорость модуляции до 40 ГГц;
длина волны 850–970 нм;
пороговый ток I = 0,29 мА;
дифференциальная эффективность N = 0,7 Вт/А;
последовательное сопротивление R = 250 Ом;
пороговое напряжение V = 2 B;
модуляция – импульсно-кодовая с непосредственной модуляцией мощности оптического излучения;
канальное управление с произвольной выборкой.

На рисунке 13 представлены вольтамперная характеристика и показатели мощности реализованных VCSEL.
Рис. 13. Вольтамперная характеристика и показатели мощности реализованных вертикально излучающих лазеров

Измерения проводились на пластине в непрерывном режиме, вывод излучения – через подложку, диаметр мезы – 28 мкм, диаметр апертуры – 6 мкм. Характеристики разработанного лазерного излучателя VCSEL приведены в таблице 2.
Таблица 2. Характеристики разработанного лазерного излучателя VCSEL

Для передачи информации оптическими импульсами применяются одномодовый или многомодовый режимы оптического излучения, а для реализации 3D М ФЭ СБИС VCSEL выбран 2D-массив излучателей – VCSEL с технологией изготовления интегральных кристаллов на основе гетероструктур InGaAlAsP.

Основными достоинствами VCSEL являются:

технологичность производства 2D-массива излучателей;
узконаправленный и интенсивный спектр оптического излучения;
малое значение порогового тока накачки;
линейная зависимость мощности оптического излучения от тока накачки.

На рисунке 14 представлен чертёж кристалла матрицы VCSEL.
Рис. 14. Чертёж кристалла матрицы VCSEL

Достигнутые результаты работы 3D М ЭФ СБИС VCSEL позволяют использовать устройства в следующих областях применений:

реализация скоростных оптических связей в двухмерном массиве с произвольным доступом;
параллельный обмен большими массивами информации;
развязка каналов с электромагнитной совместимостью.

Фотоприёмники многоканальных оптических сигналов для М ФЭ СБИС Si

Фотодиод изготавливается на основе стандартного диода DNW5 в технологии XT018 с вскрытием окна над его рабочей областью. Эта операция не является стандартной для данной технологии. Толщина остаточного окисла на поверхности фотодиода составляет около 1 мкм, что не приводит к значительному ослаблению светового потока лазерного излучения.

Технология изготовления кристалла и фотодиода

Кристалл изготавливается по технологии 180 нм КМОП SOI фирмы XFAB с технологическими нормами XT018. В таблице 3 представлена стоимость производства кристалла.
Таблица 3. Стоимость производства кристалла по технологии 180 нм КМОП SOI фирмы XFAB с технологическими нормами XT018 (цены 2013 г.)

Кристалл фотодиодной структуры формируется в подложке р-типа с удельным сопротивлением от 8 до 12 Ом·см.

Сам кристалл фотодиодной структуры содержит три процесса легирования: N+ истоки, стоки; N-карман (Nwell) и глубокий N-карман (DeepNwell), также могут быть сформированы N-области фотодиода. В таблице 4 приведены некоторые параметры диодов, которые могут быть сформированы в используемом технологическом процессе.
Таблица 4. Некоторые параметры диодов, которые могут быть сформированы в используемом технологическом процессе

При такой конструкции переход Nwell/Sub диода имеет минимальную ёмкость, поэтому для обеспечения заданного максимального быстродействия решено использовать его в качестве фотодиода.

С целью уменьшения последовательного сопротивления, повышения квантовой эффективности и уменьшения шумов использованы следующие топологические приёмы:

по периферии Nwell-диода использовано кольцо DeepNwell-слоя;
по всей площади Nwell-диода использовано подлегирование слоем N+;
по всей площади Nwell-диода использован отражающий экран в первом (нижнем) слое металла;
размер Nwell диода (30 × 30 мкм) должен быть меньше окна, вытравливаемого в подложке.

С целью уменьшения взаимовлияния соседних диодов и уменьшения времени рассасывания сгенерированного заряда, по периферии Nwell-диода в р-подложке сформировано кольцо земли Р+/Рwell.

Для уменьшения шумов излучателей в третьем слое металла сформирован заземлённый экран, а углы Nwell-диода протравлены под 45°.

Структурная схема фотодиода и топология кремниевого кристалла 3D М ФЭ СБИС Si в разрезе с многоуровневой металлизацией, выполненного по кремниевой КМОП-технологии, представлена на рисунке 15.
Рис. 15. Представление в разрезе: а – структурной схемы фотодиода; б – топологии кремниевого кристалла 3D М ФЭ СБИС Si

В соответствии с концепцией кремниево-фотонной технологии 3D М ФЭ СБИС Si массив 2D кремниевых фотодиодов изготовлен по мембранной технологии и совмещён с усилителями и функциональными устройствами в едином матричном объёме интегрального кремниевого кристалла.
Рис. 16. Базовая структура фотодиода: а – без охранного кольца; б – с охранным кольцом
Рис. 17. Вольтамперная характеристика фотодиода
Рис. 18. Характеристика быстродействия фотодиода

На рисунке 16 представлена структура фотодиода с охранным кольцом и без, на рисунке 17 – вольтамперная характеристика фотодиода на кристалле, а на рисунке 18 – характеристика быстродействия фотодиода.

Функциональная схема кристалла с фотодиодами

Разработанный оптоэлектронный матричный кристалл преобразований оптических и электрических сигналов (3D М ФЭ СБИС Si) представляет собой матрицу из многоканальных оптических и электрических каналов связи, управляемых микропроцессором. На рисунке 19 приведена схема размещения фотодиодов в матрице пикселей 3D М ФЭ СБИС Si.
Рис. 19. Эскиз рабочей стороны в матрице пикселей 3D М ФЭ СБИС Si

Процессор управления по многоканальной электрической внешней шине организует управление работой матрицы пикселей 3D М ФЭ СБИС Si. Для этого формируется набор сигналов инструкций. Часть из них являются общими для всех пикселей, другая часть служит для выбора пикселей. Особенностями управления являются:

выполнение потока команд и обмен данными по многоканальным оптическим и электрическим каналам с внешними абонентами;
механизм отложенной команды, позволяющий синхронизовать действия нескольких оптически связанных кристаллов;
микропрограммирование команд загружаемым микрокодом;
общесистемная команда «Транзит»;
общая шина данных для загрузки микрокода, потока команд, загрузки и выгрузки информационных и калибровочных регистров пикселей;
выбор пикселей, участвующих в операциях (отдельный пиксель – строка – столбец – вся матрица);
контроллер внешней шины данных и управления 3D М ФЭ СБИС Si совместим с интерфейсом EMIFA процессора TMS320С 6455.

В следующей статье будет представлен базовый ряд и технические характеристики оптоэлектронных элементов с матричной организацией функциональных пикселей, таких как матрицы лазеров вертикального излучения и различные функциональные СБИС обработки фотонных сигналов при передаче информации по многоканальным оптическим и локальным электрическим каналам.

Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!