SOI材料在光电子学中应用..pptVIP

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 (Silicon On Insulator),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。 …… * 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。　 * 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。SOI CMOS 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。