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SOI技术的应用 阮雄飞 09电科 2009118216 摘要：SOI即绝缘衬底上的硅，也称为绝缘体上的硅。SOI技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层，是一种具有独特的“Si/绝缘层/Si”三层结构的新型硅基半导体材料。它通过绝缘埋层（通常为SiO2）实现了器件和衬底的全介质隔离。有关专家预测，在2012年之后，硅材料无论在质量还是在数量上，以及在直径增大上，都将上一个新的台阶。现在的电子产品使用SOI材料的趋势将会继续下去，并且SOI覆盖面将会越来越广，可以说，SOI有良好的发展前景。 SOI技术适应范围很广，除了在集成电路中使用外，还被用于微光机电MEMS系统的制造，如3D反射镜阵列开关。现在，科学家已经开始基于SOI技术的光通信器件、微机械、传感器和太阳能电池的研发。东芝研发中心、Atmel公司、NXP等著名电子材料研发公司已经着力SOI技术的研究和革新，SOI技术正在日新月异地发展中。因为SOI材料相比于其他硅材料的巨大优点，以及技术进步和市场驱动日益推动着SOI材料的商品化，SOI材料正在以强盛的势头发展着。随着国际信息产业的迅猛发展，作为半导体工业基础材料的硅材料工业，尤其是SOI材料工业也将随之强势发展。 一、SOI技术在光电子学中的应用 SOl材料应用于光电子学中制作光波导器件具有很多优点：SOI光电子工艺与标准的CMOS工艺完全兼容，为实现高集成度的光电子回路提供了可能；SOI材料具有很好的导波特性，传输损耗小；导波层硅和限制层二氧化硅之间的折射率差很大，单个器件有可能做得很小，有利于大规模集成；制备技术成熟多样，成本低廉[1]。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。SOI热光开关的响应速度比其他材料如SiO：和聚合物的要快，可以达到微秒量级甚至更小。在大规模开关阵列研究方面，中科院半导体所[2]报道了16×16光开关阵列。器件的消光比为13.8—24.2 dB，开关单元为采用多模干涉(MMI)耦合器作为分束/合束器，MZI结构的2×2开关，如图1所示，开关单元的功耗为210～230 mW，响应时间小于3微秒。将SOl纳米线引入到热光开关中，有助于器件尺寸和功耗的减小[3]。 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。高速硅基调制器是除了硅基光源之外最具有挑战性的领域，研究意义重大。SOI材料以它在成本、制作工艺、电学与光学特性等方面巨大的优势，仍吸引着研究人员不懈努力，终于在近几年取得了突破[4]。2008年，Intel公司报道的硅基调制器测试得到的3 dB带宽高达33GHz，并实现40Gb/s的非归零(NRZ)信号调制[5]。如图2所示，该调制器由硅基波导型MZI干涉器和反向PN结结构构成。 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集成芯片的重大突破。在2008年IV族光子学会议上，美国Luxtera公司[6]报道了他们的单片集成4×10 Gb/s波分复用(WDM)光收发器，如图3所示，该芯片采用标准的130nmSOI CMOS工艺制作而成。除了光源是通过光纤外接之外，光波导、光调制器、波分复用器、Ge探测器等都被集成到了同一芯片上。它共有4个传输通道，每个通道都可以实现低误码率(BER10-12)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。 二、SOI技术在压力传感器中的应用 SOI压力传感器是一种新型的、先进的物性型压力传感器。其采用硅氧化物实现压力芯片的敏感元件和与基片之间的电隔离，替代传统的pn结电隔离技术，打破极限使用温度上限的局限性，不存在微漏电通道，保障在高温条件下长期稳定工作。SOl压力传感器可广泛应用于石油、化工、冶金、航天、航空、船舶等领域的高温压力检测，极好地解决了高温传感器性能指标稳定性差，高低温宽温区的性能兼容性和分散性较大。环境试验适应性差、寿命短和可靠性低等技术难题[7]。耐高温压力敏感芯片的惠斯通电桥元件是做在硅氧化物上的硅单晶薄层(又称元件层)中，除电桥电阻体外，其余部分都被刻蚀掉，形成体电阻结构，其外围被硅氧化物绝缘层覆盖，实现绝缘介质隔离替代pn结隔离，如图4所示。所以SOl结构材料的单晶硅薄层、硅氧化层和硅基片材料的电参数和物理参数与敏感芯片的功能指标和质量有直接因果关系[8]。 三、SOI 的其它应用—4-6 英寸 SOI SOI 早期的主要应用集中在航空航天和军事，现在拓展到功率和灵巧器件以及 MEMS 应用。特别是在汽车电子、显示、