Οπτικοηλεκτρονικά κυκλώµατα υψηλής πυκνότητας ολοκλήρωσης για υψίρυθµα φωτονικά µικροσυστήµατα

ΕΘΝΙΚΟ ΚΑΙ ΚΑΠΟ ΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΚΑΙ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥ ΩΝ Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Οπτικοηλεκτρονικά κυκλώµατα υψηλής πυκνότητας ολοκλήρωσης για υψίρυθµα φωτονικά µικροσυστήµατα Κυριακή Μινόγλου ΑΘΗΝΑ ΜΑΡΤΙΟΣ 2007

Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Οπτικοηλεκτρονικά κυκλώµατα υψηλής πυκνότητας ολοκλήρωσης για υψίρυθµα φωτονικά µικροσυστήµατα Κυριακή Μινόγλου ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ηµήτριος Συβρίδης, Αναπληρωτής Καθηγητής ΕΚΠΑ ΤΡΙΜΕΛΗΣ ΕΠΙΤΡΟΠΗ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ: ηµήτριος Συβρίδης, Αναπληρωτής Καθηγητής ΕΚΠΑ Αγγελική Αραπογιάννη, Αναπληρώτρια Καθηγήτρια EKΠΑ Γεώργιος Χαλκιάς, Ερευνητής Α ΕΚΕΦΕ ηµόκριτος ΕΠΤΑΜΕΛΗΣ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ ηµήτριος Συβρίδης, Αναπληρωτής Καθηγητής ΕΚΠΑ Αγγελική Αραπογιάννη, Αναπληρώτρια Καθηγήτρια ΕΚΠΑ Θωµάς Σφηκόπουλος, Καθηγητής ΕΚΠΑ Νικηφόρος Θεοφάνους, Καθηγητής ΕΚΠΑ Κυριάκος Χιτζανίδης, Καθηγητής ΕΜΠ ηµήτριος Τσουκαλάς, Αναπληρωτής Καθηγητής ΕΜΠ Γεώργιος Χαλκιάς ιευθυντής Ερευνών ΕΚΕΦΕ ηµόκριτος Ηµεροµηνία εξέτασης 5/3/2007

ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η τεχνολογία της υψηλής πυκνότητας υβριδικής ολοκλήρωσης οπτικοηλεκτρονικών ΙΙΙ-V κυκλωµάτων (ΟΕ) µε CMOS Ολοκληρωµένα Κυκλώµατα (IC s) διαφαίνεται ικανή στο να παρέχει τα χαρακτηριστικά και τις επιδόσεις που απαιτούνται από τα υψηλών προδιαγραφών υποσυστήµατα επεξεργασίας πληροφοριών νέας γενιάς. Στόχος αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η µελέτη των υψίρυθµων φωτονικών µικροσυστηµάτων τόσο από τη σκοπιά της ανάπτυξης συγκεκριµένης τεχνολογίας για την υβριδική ολοκλήρωση τους όσο και από την πλευρά της ανάπτυξης ενός πλήρους µοντέλου για ένα συγκεκριµένου τύπου οπτικοηλεκτρονικό στοιχείο φωτοεκποµπής, το VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser). Όσον αφορά την υβριδική ολοκλήρωση µελετώνται τεχνικές συγκόλλησης δισκιδίων τόσο µε τη χρήση SiO 2 και Spin-on-Glass (SOG) όσο και µε την χρήση κράµατος µετάλλων. Αναφορικά, παρουσιάζεται η µεθοδολογία που αναπτύχθηκε για τη συγκόλληση µε χρήση SOG, καθορίζονται τα κρίσιµα στάδια, χαρακτηρίζονται τα κολληµένα δισκίδια και σχεδιάζεται και κατασκευάζεται µια ολοκληρωµένη οπτοηλεκτρονική διασύνδεση. Παρόµοια, σχετικά µε τη µεταλλική συγκόλληση, καθορίζεται η δοµή και η σύσταση του κράµατος, µελετάται η οµοιοµορφία των επιµεταλλώσεων, µετρώνται ηλεκτρικές παράµετροι, και µελετάται η δυνατότητα µορφοποίησης του κράµατος. Παράλληλα, η διδακτορική διατριβή ασχολείται µε την εισαγωγή µέσα σε ενιαίο περιβάλλον σχεδιασµού ολοκληρωµένων κυκλωµάτων πολύ µεγάλης κλίµακας (VLSI) ενός πλήρους µοντέλου για τα VCSELS. Το πλήρες µοντέλο, το οποίο περιλαµβάνει το παρασιτικό κύκλωµα εισόδου, τα εσωτερικά θερµο-ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του στοιχείου και τις φυσικές διαφορικές εξισώσεις παραγωγής φωτός, υλοποιείται, προσοµοιώνεται και σε συνδυασµό µε τις πειραµατικές µετρήσεις εµπορικών λέιζερ εκτιµάται η εγκυρότητα και η πληρότητά του ενώ ταυτόχρονα αναπτύσσεται µεθοδολογία εξαγωγής των παραµέτρων του µοντέλου. ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ:Υβριδική Ολοκλήρωση και Μοντελοποίηση Λέιζερ ΛΕΞΕΙΣ ΚΛΕΙ ΙΑ: υβριδική ολοκλήρωση, οπτικοηλεκτρονικά κυκλώµατα, συγκόλληση δισκιδίων, µοντέλο VCSEL Κυριακή Μινόγλου v

Κυριακή Μινόγλου vi

ABSTRACT High-density hybrid integration of III-V compound optoelectronics (OE) with Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) Integrated Circuits (ICs) is emerging as a technology able to provide the features and performance required by the next generation of high functionality information processing subsystems. The aim of this PhD thesis is the study of hybrid integration technologies of III-V OEs with CMOS of high speed photonic microsystems under the view of developing not only a heterogeneous integration technology but also a compact and efficient full model for a special type laser device, the VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser). Regarding hybrid integration, in this work a SIO 2 /SOG(Spin-On-Glass) based and a metallic bonding technique are proposed which can be used for the bonding of the photonic wafer on the CMOS wafer. Definition of the procedure and identification of critical steps are taking place and finally implementation of an in-plane optical link is demonstrated. Concerning metallic bonding, appropriate metal alloy s composition and structure, lithography and alloy patterning possibility and electrical characteristics are investigated. This thesis also studies the possibility for accurate simulation of the mixed photonic/vlsi modules under a unified VLSI design CAD environment through the presentation of a model for the VCSEL device. Implementation of the model (fundamental device rate equations, thermal effects, non-linear gain and transparency number functions and input parasitics elements) is accomplished. Simulation results are compared with commercial available laser measurements and a three-step parameter extraction procedure is developed. To conclude, the purpose of the work presented in this thesis is to obtain an understanding of hybrid optoelectronic microsystems since (a) in a technological level, proposes an hybrid integration technology of III-V OEs with CMOS and (b) in a device level approach, studies in deep and develops a model, of great value for the IC designers, for a basic photonic module of the full high-speed photonic microsystem. SUBJECT AREA: Hybrid Integration and Laser Modeling KEYWORDS: hybrid integration, photonic microsystems, metallic bonding, VCSEL model Κυριακή Μινόγλου vii

Κυριακή Μινόγλου viii

Στους γονείς µου και στον Άκη Κυριακή Μινόγλου ix

Κυριακή Μινόγλου x

Ευχαριστίες Υπάρχουν αρκετοί άνθρωποι χωρίς την βοήθεια των οποίων δεν θα ήταν δυνατή η ολοκλήρωση αυτού του διδακτορικού. Πρωτίστως, ανάµεσα σε αυτούς βρίσκεται ο επιβλέπων µου στο Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής του ηµοκρίτου, ρ. Γ. Χαλκιάς, τον οποίο ευχαριστώ θερµά για την ανάθεση της συγκεκριµένης µελέτης, την άψογη επιστηµονική καθοδήγηση καθώς επίσης και την ευκαιρία που µου δόθηκε να συνεργαστώ µε σηµαντικούς επιστήµονες ξένων ερευνητικών κέντρων και πανεπιστηµίων, στα πλαίσια συµµετοχής σε Ευρωπαικά προγράµµατα. Εκτιµώ βαθύτατα την εµπιστοσύνη που έδειξε στις δυνατότητες µου και δεν θα ξεχάσω ποτέ την ηθική υποστήριξη και το πραγµατικό ενδιαφέρον που έδειξε για την πρόοδο και την ολοκλήρωση της εργασίας µου. Ευχαριστώ επίσης τους επιβλέποντες καθηγητές στο Τµήµα Πληροφορικής του Πανεπιστηµίου Αθηνών, Α. Αραπογιάννη και. Συβρίδη, για τις συµβουλές τους και για την δυνατότητα που µου παρείχαν να χρησιµοποιήσω τον εργαστηριακό εξοπλισµό του Τµήµατος. εν θα µπορούσα να παραλείψω τις ευχαριστίες µου στον καθηγητή του τµήµατος Ηλεκτρονικής του ΤΕΙ Πειραιά, Ε. Κυριάκη Μπιτζάρο, για τις εποικοδοµητικές συζητήσεις και τις καθοδηγήσεις του αλλά και γιατί µε έκανε να καταλάβω πως η αρνητική κριτική όταν γίνεται από καλή πρόθεση σε κάνει όχι µόνο καλύτερο αλλά και πιο δυνατό. Επίσης, ευχαριστώ πολύ τον κ. Σ. Κατσαφούρο που µοιράστηκε µαζί µου την εµπειρία και τις γνώσεις του και που µε βοήθησε να ανοίξω τους πιθανούς επαγγελµατικούς µου ορίζοντες, ενώ για την άψογη συνεργασία και την συναδελφικότητα στη µελέτη της µεταλλικής συγκόλλησης ευχαριστώ θερµά τον κ. Π. Ροµπογιαννάκη. Θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους του ανθρώπους που εργάζονται στο Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής του ηµοκρίτου, την ιευθύντρια κα. Α. Νασσιοπούλου, την «πολύτιµη» κα. Ζ. Μακρίδη, τον κ. Σ. Χατζανδρούλη για την ηθική υποστήριξη και τον «δεικτικό σχολιασµό των κακώς κειµένων», τον κ. Χ. Κοντοπανάγο για τις συµβουλές του στις RF µετρήσεις, τους υπόλοιπους ερευνητές, τους τεχνικούς καθώς και όλους τους συνεργάτες µε τους οποίους µοιράστηκα τις χαρές, τις αγωνίες και τις απογοητεύσεις που κρύβει η διαδικασία εκπόνησης ενός διδακτορικού. Τέλος, ένα ιδιαίτερα µεγάλο ευχαριστώ στην οικογένειά µου και στους φίλους µου για την κατανόηση και την υποµονή που έδειξαν, στηρίζοντάς µε ο κάθε ένας µε τον τρόπο του. Παρέµειναν στο πλευρό µου όλα τα χρόνια που διήρκησε αυτή τη διατριβή και σε αυτούς αφιερώνεται. Κυριακή Μινόγλου xi

Κυριακή Μινόγλου xii

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΥΜΒΟΛΩΝ...xv ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ...xvii ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ...xx ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΥΝΤΜΗΣΕΩΝ...xxi ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ...1 1.1 Η System-On-Package τεχνολογία...1 1.2 Ολοκλήρωση Οπτικοηλεκτρονικών Στοιχείων...4 1.3 Πυκνή ολοκλήρωση µε κλασικά ηλεκτρονικά κυκλώµατα...5 1.4 Κατάλληλα οπτικοηλεκτρονικά στοιχεία...6 1.5 Στόχος και οργάνωση της παρούσας διατριβής...7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΥΒΡΙ ΙΚΗΣ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗΣ...11 2.1 Εισαγωγή...11 2.2 Τεχνολογία Flip-Chip...11 2.2.1 Flip-Chip σε συµβατά CMOS...11 2.2.2 Flip-Chip σε Silicon-On-Sapphire CMOS...15 2.3 Επιταξιακό Liftoff...17 2.4 Μέθοδος Appliqué...20 2.5 Συγκόλληση µε πολυαµίδια...23 2.6 Τοποθέτηση των ψηφίδων...24 2.6.1 Ανύψωση και τοποθέτηση µε ροµποτική ακρίβεια...24 2.6.2 Ευθυγράµµιση...24 2.6.3 Τεχνολογίες Αυτό-Συναρµολόγησης µέσω ρευστών...25 2.7 Συµπεράσµατα...29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΗ ΙΣΚΙ ΙΩΝ ΣΕ ΧΑΜΗΛΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ...31 3.1 Ολοκλήρωση οπτικοηλεκτρονικών στοιχείων από GaAs...31 3.1.1 Συγκόλληση µε SOG/SiO 2...31 3.2 Υβριδική ολοκλήρωση µε µεταλλικό κράµµα...38 3.2.1 Χαρακτηριστικά του κράµατος και δοµή...38 3.2.2 Οµοιοµορφία δοµών...40 3.2.3 Πειράµατα συγκόλλησης και ποιοτικός έλεγχος...43 3.2.4 Ηλεκτρικός χαρακτηρισµός...47 3.3 Συµπεράσµατα...49 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 VCSELs : ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ...53 4.1 Λέιζερ επιφανειακής εκποµπής...53 4.1.1 Τύποι VCSELs...57 4.1.2 Εξελιξη των VCSELs...60 4.1.3 Πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα των VCSELs...64 4.1.4 Εφαρµογές των VCSELs, τάσεις και προβλέψεις...65 4.2 Βασικές αρχές λειτουργίας των VCSELs...68 4.2.1 Οπτικές διαδικασίες στα ηµιαγωγικά λείζερ...68 4.2.2 Εξισώσεις εκποµπής...70 Κυριακή Μινόγλου xiii

4.2.3 Εξισώσεις ρυθµού... 72 4.2.4 Κατάσταση σταθερής ηλεκτρικής πόλωσης... 74 4.2.5 Ρεύµα κατωφλίου... 75 4.2.6 Ισχύς εξόδου και συντελεστής απόδοσης... 77 4.2.7 ιαµόρφωση... 78 4.2.8 Συντονισµένος τρόπος ταλάντωσης... 79 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΜΟΝΤΕΛΟ ΕΙΣΟ ΟΥ ΓΙΑ ΤΟ VCSEL... 81 5.1 Η ανάγκη για µοντέλα οπτικοηλεκτρονικών στοιχείων... 81 5.1.1 Μοντέλα για λέιζερ σε επίπεδο κυκλώµατος... 82 5.1.2 Η ανάγκη για ένα µη γραµµικό ισοδύναµο µοντέλο VCSEL... 83 5.2 Περιγραφή του µοντέλου... 85 5.3 Μεθοδολογία προσδιορισµού παραµέτρων... 88 5.4 Μετρήσεις και εξαγωγή παραµέτρων... 92 5.5 Μελέτη του µεταβλητού πυκνωτή C j... 97 5.6 Μέτρηση της πλακέτας ελέγχου και αξιοποίηση των δεδοµένων... 102 5.7 Συµπεράσµατα... 106 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΛΗΡΕΣ ΜΟΝΤΕΛΟ ΜΕ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΡΥΘΜΟΥ... 109 6.1 Ανάπτυξη του πλήρους µοντέλου... 109 6.2 Υλοποίηση των διαφορικών εξισώσεων µε κυκλώµατα... 112 6.3 Μετρήσεις και προσοµοιώσεις... 117 6.3 Συµπεράσµατα... 128 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΣΤΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ Ο ΗΓΗΣΗΣ ΤΩΝ VCSELs... 129 7.1 Οδήγηση υψίσυχνων VCSELs... 129 7.2 Οδήγηση µε ιδανικές πηγές... 130 7.3 Οδήγηση µε πραγµατικά κυκλώµατα... 134 7.4 Συµπεράσµατα... 142 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ... 143 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ... 147 ηµοσιεύσεις σε διεθνή περιοδικά... 159 Συµµετοχή σε Ελληνικά και ιεθνή Συνέδρια... 160 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Υπολογισµός των παραµέτρων επικάλυψης απολαβής και modes... 163 Κυριακή Μινόγλου xiv

ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΥΜΒΟΛΩΝ ΣΥΜΒΟΛΟ Ελληνικά Αγγλικά n f c jo παράγοντας ευαισθησίας θερµικής τάσης χωρητικότητα επαφής µηδενικής πόλωσης Ν πλήθος φορέων carrier number I χωρικά εξαρτόµενο ρεύµα έγχυσης spatially dependent injection current S k ψ k συνολικός αριθµός φωτονίων στo k εγκάρσιo τρόπο ταλάντωσης κανονικοποιηµένη κατανοµή του k τρόπου ταλάντωσης total photon number in the kth transverse mode normalized transverse mode profile in the kth transverse mode T θερµοκρασία του στοιχείου device temperature G k απολαβή στο k τρόπο ταλάντωσης gain of the kth mode I l θερµικό ρεύµα διαρροής thermal leakage current n i απόδοση έγχυσης ρεύµατος current injection efficiency τ n χρόνος ζωής φορέων carrier lifetime L eff ενεργό µήκος διάχυσης φορέων effective carrier diffision length Q φορτίο ηλεκτρονίου electron charge V ενεργός όγκος της ενεργού περιοχής effective active layer volume β k συντελεστής σύζευξης αυθόρµητης εκποµπής για τον k τρόπο ταλάντωσης spontaneous emission coupling coefficient for the kth mode τ pk χρόνος ζωής των φωτονίων στον k τρόπο ταλάντωσης photon lifetime for the kth mode V T ολικός όγκος της ενεργού περιοχής total volume of active region Ν 0 µέση τιµή πλήθους φορέων average carrier number N 1 Πλήθος φορέων που οφείλονται στον κύριο τρόπο ταλάντωσης spatial hole produced by the fundamental mode Io ολικό ρεύµα που διαρρέει το στοιχείο total current flowing in the device G(T) απολαβή εξαρτώµενη από τη θερµοκρασία temperature dependent gain N t (T) G 0 N to πλήθος διάφανων φορέων που εξαρτάται από τη θερµοκρασία σταθερά απολαβής ανεξάρτητη από τη θερµοκρασία πλήθος διάφανων φορέων ανεξάρτητο από την θερµοκρασία temperature dependent transparency number temperature independent gain constant temperature independent transparency number a g0,a g1,a g2 παράµετροι της εξίσωσης κέρδους gain fitting constants b g0, b g1, b g2 παράµετροι της εξίσωσης κέρδους gain fitting constants c n0, c n1, c n2 tranparency number fitting constants Ε συντελεστής κορεσµού απολαβής gain saturation factor H 1 B 0, b 1 γ 0, γ 1, φ 0, φ 1, λ 0 και λ 1 παράµετρος που προσοµοιώνει τα φαινόµενα διάχυσης παράµετρος που προσοµοιώνει την ενδογεννή αυθόρµητη εκποµπή παράµετροι που πρoσδιορίζουν την αλληλοεπικάλυψη της απολαβής µε τους parameter modeling diffusive effects parameter modeling integrated spontaneous emission overlap integral values Κυριακή Μινόγλου xv

τρόπους ταλάντωσηςs I lo, a 0, a 1, a 2 παράµετροι του ρεύµατος διαρροής P ισχύς εξόδου output power k f συντελεστής σύζευξης ισχύος εξόδου output power coupling coefficient W m W χαρακτηριστικό µήκος της οικογένειας των Laguerre-Gaussian τρόπων ταλάντωσηςs ενεργή ακτίνα της ενεργού περιοχής (αντιστοιχεί στον ενεργό όγκο V) Characteristic width of the family of Lagherre-Gaussian modes effective active layer radius r therm θερµική αντίσταση του VCSEL vcsel's thermal impedance K σταθερά του Boltzman Boltzman's constant Ε g ενεργειακό χάσµα energy gap δ m, δ n, z n arbitrary constants L lp (x) γενικευµένα πολυώνυµα Laguerre Generalized Laguerre polynomials a pl παράγοντας κανονικοποίησης Normalization coefficient Ψ k (r) κανονικοποιηµένη κατανοµή φωτονίων Normalized photon distribution σ i ι-οστή ρίζα της Bessel J 1 (x) συνάρτησης πρώτης τάξης ith root of the 1 st order Bessel function J 1 (x) Κυριακή Μινόγλου xvi

ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήµα 1.1 SOP το οποίο συνδυάζει τρεις διαφορετικούς τύπους κυκλωµάτων στα διηλεκτρικά στρώµατα 2 Σχήµα 2.1 Σχηµατική flip-chip διαδικασία συγκόλλησης 16 Σχήµα 2.2 Σχηµατική απεικόνιση µιας SOS OE βαθµίδας 20 Σχήµα 2.3 Κάµψη των καλυµµένων µε κερί επιταξιακών στρωµάτων 22 Σχήµα 2.4 Ευθυγραµµισµένη ELO διαδικασία 24 Σχήµα 2.5 ιάγραµµα ροής της µεθόδου Appliqué 25 Σχήµα 2.6 Απεικόνιση της τεχνολογίας αυτό-συναρµολόγησης µέσω ρευστών 33 Σχήµα 3.1 Συγκόλληση δισκιδίων σε χαµηλή θερµοκρασία 39 Σχήµα 3.2 Τελικό OE σύστηµα που βασίζεται σε LT συγκόλληση δισκιδίων 39 Σχήµα 3.3 Nomarski οπτική µικροσκοπία µε την πλήρη οπτική διασύνδεση που κατασκευάστηκε. 42 Σχήµα 3.4 Χαρακτηριστικές καµπύλες οπτικής ισχύος του οπτικού link 43 Σχήµα 3.5 Σχηµατική αναπαράσταση υβριδικής ολοκλήρωσης 44 Σχήµα 3.6 Σχηµατική αναπαράσταση της µεθόδου µεταλλικής συγκόλλησης 45 Σχήµα 3.7 Pads µεταλλικού κράµατος 46 Σχήµα 3.8 Pads και γραµµές µεταλλικού κράµατος 47 Σχήµα 3.9 SEM φωτογραφία συστοιχίας από pads 48 Σχήµα 3.10 SEM φωτογραφία ενός pad πάχους 1µm 48 Σχήµα 3.11 Pads πριν και µετά την ανόπτηση 49 Σχήµα 3.12 Πειραµατική συσκευή συγκόλλησης που χρησιµοποιήθηκε 49 Σχήµα 3.13 Τοπολογία των ψηφίδων που χρησιµοποιήθηκαν 51 Σχήµα 3.14 4in δισκίδιο Si µε ψηφίδες κολληµένες σε συγκεκριµένες περιοχές 53 Σχήµα 3.15 I-V χαρακτηριστικές για µεταλλικές γραµµές 55 Σχήµα 3.16 Αντίσταση του pad επαφής σε συνάρτηση µε την διάµετρο του pad 55 Σχήµα 4.1 οµή ενός τυπικού VCSEL 62 Σχήµα 4.2 Κλασική δοµή του VCSEL 63 Σχήµα 4.3 Υλικά κατασκευής VCSEL s και αντίστοιχα µήκη κύµατος ακτινοβολίας 64 Σχήµα 4.4 οµές για περιορισµό του ρεύµατος στα VCSEL s 65 Σχήµα 4.5 οµές για περιορισµό του φωτός στα VCSEL s 67 Σχήµα 4.6 VCSEL µε δίοδο σήραγγας 71 Σχήµα 4.7 Ορισµένα από τα σηµαντικότερα στάδια ανάπτυξης των VCSELs 72 Σχήµα 4.8 H παγκόσµια αγορά των VCSELs 76 Κυριακή Μινόγλου xvii

Σχήµα 4.9 Οπτικές διαδικασίες 77 Σχήµα 4.10 ιαφορά στον τρόπο εκποµπής των in-plane και των VCSELs 80 Σχήµα 5.1 Κυκλωµατικό ισοδύναµο του VCSEL µε τα παρασιτικά της εισόδου 97 Σχήµα 5.2 Υλοποίηση της θερµικής εξίσωσης 100 Σχήµα 5.3 Μετρητική διάταξη των DC και S11 χαρακτηριστικών 104 Σχήµα 5.4 Μετρήσεις ρεύµατος-φωτός και ρεύµατος-τάσης για το VCSEL-B 105 Σχήµα 5.5 Μετρήσεις και προσοµοίωση της I-V για το VCSEL-A 106 Σχήµα 5.6 Μετρήσεις και προσοµοίωση της I-V για το VCSEL-Β 106 Σχήµα 5.7 Μετρήσεις και προσοµοίωση της S 11 για το VCSEL-Α σε πόλωση 5mA 108 Σχήµα 5.8 Μετρήσεις και προσοµοίωση της S 11 για το VCSEL-Β σε πόλωση 5mA 108 Σχήµα 5.9 Μετρήσεις και προσοµοίωση της S 11 για το VCSEL-Α σε πόλωση 8mA µε χρήση των παραµέτρων που εξήχθησαν για πόλωση 5mA 109 Σχήµα 5.10 Προσοµοιώσεις για διαφορετικές πολώσεις 109 Σχήµα 5.11 Οι τιµές που παίρνει η χωρητικότητα C j 111 Σχήµα 5.12 Μετρήσεις και προσοµοίωση I-V σε 4 διαφορετικές θερµοκρασίες 112 Σχήµα 5.13 Μετρήσεις και προσοµοίωση της S 11 σε 3 πολώσεις 113 Σχήµα 5.14 Το µοντέλο της διάταξης δοκιµής 114 Σχήµα 5.15 Mετρήσεις και προσοµοιώσεις για την πλακέτα δοκιµών 115 Σχήµα 5.16 Μετρήσεις και προσοµοίωση της I-V σε 3 διαφορετικές θερµοκρασίες 116 Σχήµα 5.17 Μετρήσεις και προσοµοίωση της S 11 117 Σχήµα 6.1 Υλοποίηση των εξισώσεων ρυθµού µε κυκλώµατα 129 Σχήµα 6.2 ιάταξη για την µέτρση της S21 παραµέτρου 133 Σχήµα 6.3 Ac απόκριση της φωτοδιόδου που χρησιµοποιήθηκε 134 Σχήµα 6.4 AC απόκριση του VCSEL_A για διαφορετικά ρεύµατα πόλωσης 134 Σχήµα 6.5 AC απόκριση της φωτοδιόδου και του VCSEL_A στο ίδιο διάγραµµα 135 Σχήµα 6.6 AC απόκριση του VCSEL_B µε την χρήση µικροκυµµατικής πλακέτας 136 Σχήµα 6.7 S21 παράµετρος για το VCSEL_A µετά από αφαίρεση 136 Σχήµα 6.8 S21 παράµετρος για το VCSEL_Β µετά από αφαίρεση 137 Σχήµα 6.9 Προσοµοίωση και µέτρηση της I-L και S21 παραµέτρου 138 Σχήµα 6.10 Προσοµοίωση και µέτρηση της S21 παραµέτρου µετά από αφαίρεση (5-2)mA και (3-2)mΑ 138 Σχήµα 6.11 Προσοµοίωση και µέτρηση της S21 παραµέτρου σε 3 πολώσεις 139 Σχήµα 6.12 ιάγραµµα ροής διαδικασιών για την εξαγωγή των παραµέτρων του πλήρους µοντέλου. 141 Κυριακή Μινόγλου xviii

Σχήµα 7.1 Κανονικοποιηµένη απόκριση του εσωτερικού µόνο VCSEL όταν οδηγείται µε ιδανική πηγή ρεύµατος και τάσης 147 Σχήµα 7.2 Κανονικοποιηµένη απόκριση ολόκληρου του VCSEL όταν οδηγείται µε ιδανική πηγή ρεύµατος και τάσης 147 Σχήµα 7.3 Η µεταβατική (transient) απόκριση του οπτικού ρεύµατος κατά την οδήγησηι µε ιδανική παλµική πηγή ρεύµατος και τάσης (µοντέλο µε αποµονωµένη είσοδο από την έξοδο) 148 Σχήµα 7.4 Η µεταβατική (transient) απόκριση του οπτικού ρεύµατος κατά την οδήγησηι µε ιδανική παλµική πηγή ρεύµατος και τάσης (µοντέλο µε υλοποιηµένες τις εξισώσεις ρυθµού) 149 Σχήµα 7.5 Η µεταβατική (transient) απόκριση της οπτικής ισχύος κατά την οδήγησηι µε ιδανική παλµική πηγή ρεύµατος και τάσης (µοντέλο µε υλοποιηµένες τις εξισώσεις ρυθµού) 149 Σχήµα 7.6 Κυκλώµατα οδήγησης παλµών ρεύµατος και παλµών τάσης υλοποιηµένα σε τεχνολογία 0.35µm SiGe HBT 151 Σχήµα 7.7 Η µεταβατική (transient) απόκριση του οπτικού ρεύµατος κατά την οδήγηση µε LDD παλµών ρεύµατος και τάσης (µοντέλο µε αποµονωµένη είσοδο από την έξοδο) 151 Σχήµα 7.8 Προσοµοιωµένα δισγράµµατα µατιού του οπτικού ρεύµατος σε διαφορετικές συχνότητες κατά την λειτουργία µε οδήγηση µε LDD ρεύµατος 152 Σχήµα 7.9 Προσοµοιωµένα διαγράµµατα µατιού του οπτικού ρεύµατος κατά την οδήγηση µε παλµούς ρεύµατος και τάσης 153 Σχήµα 7.10 ιαγράµµατα µατιού της οπτικής απόκρισης για οδήγηση µε LDD τάσης σε διαφορετικές συχνότητες 153 Σχήµα 7.11 Το κύκλωµα για την λειτουργία του LDD παλµών τάσης και την µέτρηση της απώλειας ισχύος 155 Σχήµα 7.12 Πολυωνυµική προσέγγιση τετάρτου βαθµού της I-L 158 Κυριακή Μινόγλου xix

ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 3.1 Υποστρώµατα όπου κολλήθηκαν τα δείγµατα 51 Πίνακας 3.2 Παράµετροι των πειραµάτων µε πάχος κράµατος τα 800nm 52 Πίνακας 3.3 Παράµετροι των πειραµάτων µε πάχος κράµατος τα 250nm 53 Πίνακας 4.1: Στάδια ανάπτυξης της τεχνολογίας των VCSELs από την εµφάνισή τους µέχρι τα τέλη του 90 69 Πίνακας 4.2: Εφαρµογές των VCSELs 75 Πίνακας 4.3 Σύγκριση τιµών χαρακτηριστικών παραµέτρων των κλασικών ηµιαγωγικών λέιζερ και των επιφανειακής εκποµπής 83 Πίνακας 5.1 Τιµές που εξήχθησαν για τις παραµέτρους του µοντέλου µετά την εφαρµογή της µεθοδολογίας για τα δύο διαφορετικά VCSELs 108 Πίνακας 5.2 ιαφορετικά set τιµών των παραµέτρων του πυκνωτή C j και υπολογισµός του C j 110 Πίνακας 5.3 Οι τιµές των παραµέτρων που προκύπτουν για fitting σε τρεις διαφορετικές πολώσεις 112 Πίνακας 5.4 Τιµέ των παρασιτικών στοιχείων της πλακέτας δοκιµής 115 Πίνακας 5.5 Τιµές που εξήχθησαν για τις παραµέτρους του µοντέλου µετά την εφαρµογή της µεθοδολογίας 116 Πίνακας 6.1.Όλες οι παράµετροι του πλήρους µοντέλου 130 Πίνακας 6.2 Τιµές για όλες τις παραµέτρους που εξήχθησαν µε την εφαρµογή της προτεινόµενης µεθοδολογίας 140 Κυριακή Μινόγλου xx

ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΥΝΤΜΗΣΕΩΝ Κυριακή Μινόγλου AELO AFM BCB BER BH BiCMOS BTJ CAD CMOS CMP COD CW DBR DFB DOES DUT ECL EEL ELO EMI FET FFP FSA FSO GPS GSEL HBT HDL IC LAN LD LDD LEDs LT MASA MBE MEMS MESFET MOCVD MSM NFP NMOS NRZ OE PCB Aligned Epitaxial Lift-Off Atomic Force Microscopy Benzocyclobutene Bit Error Rate Buried Heterostructure Bipolar CMOS Buried Tunnel Junction Computer-Aided Design Complementary Metal Oxide Semiconductor Chemical Mechanical Polishing Catastrophic Optic Damage Continuous Wave Distributed Bragg Reflector Distributed Feedback Double-Heterostructure Optoelectronic Switch Device Under Test External Cavity Laser Edge-Emitting Laser Epitaxial Lift-Off Electro-Magnetic Interference Field Effect Transistor Far-Field Pattern Fluidic Self-Assembly Free-Space Optics Global Positioning System Grating-outcoupled Surface-Emitting Laser Hetero Bipolar Transistor Hardware Description Language Integrated Circuit Local Area Network Laser Diode Laser Diode Driver Light Emitting Diodes Low Temperature Magnetically Assisted Statistical Assembly Molecular Beam Epitaxy Micro-Electro-Mechanical Systems Metal-Semiconductor Field Effect Transistor Metal Organic Chemical Vapor Deposition Metal-Semiconductor-Metal Near-Field Pattern N-channel Metal Oxide Semiconductor Non-Return-to-Zero, Οptoelectronics Printed Circuit Board xxi

PD PECVD POF PRBS QD RIE RPTV SAM SEM SFP SM SOC SOG SOI SOP SOS S-SEED TCE TEM TIA VCSEL VLSI VNA WDM WG Photodiode Plasma Enhanced Convention Vapor Deposition Plastic Optical Fibre Pseudo-Random-Bit-Stream Quantum Dot Reactive Ion Etching Rear-Projection Television Scanning Acoustic Microscopy Scanning Electron Microscopy Small Form-Factor Pluggable Single Mode System-on-Chip Spin-on-Glass Silicon-On-Insulator System-on-Package Silicon-On-Sapphire Symmetric Self-electro-optic Device Thermal Coefficient Expansion Transverse Electromagnetic Transimpedance Amplifier Vertical Cavity Surface Emitting Laser Very Large Scale Integration Vector Network Analyzer Wavelength Division Multiplexing Waveguide Κυριακή Μινόγλου xxii

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διδακτορική διατριβή εκπονήθηκε στο Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής του Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. ηµόκριτος, σε συνεργασία µε το Τµήµα Πληροφορικής του Πανεπιστηµίου Αθηνών. Όσον αφορά τη µελέτη των τεχνικών υβριδικής ολοκήρωσης µε την χρήση SOG/SiO 2 και κράµατος µετάλλων, αυτή διενεργήθηκε στα πλαίσια των Ευρωπαϊκών προγραµµάτων BONTEC και PICMOS αντίστοιχα. Οι πειραµατικές µετρήσεις των VCSELs πραγµατοποιήθηκαν στο Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής και στο εργαστήριο οπτικών µετρήσεων του Τµήµατος Πληροφορικής. Κυριακή Μινόγλου xxiii

Κυριακή Μινόγλου xxiv

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Η System-On-Package τεχνολογία Η εκθετική αύξηση που χαρακτηρίζει τον τοµέα των ολοκληρωµένων ηλεκτρονικών και που, όπως είναι γνωστό, περιγράφεται µε το νόµο του Moore [1], σε συνδυασµό µε την αντίστοιχη εξάπλωση του internet οδήγησαν σε µεγάλες απαιτήσεις όσον αφορά το µεγάλο εύρος ζώνης και το χαµηλό κόστος των επικοινωνιακών δικτύων [2]. Όπως είναι γνωστό στον υπολογιστικό κόσµο το να έχει κανείς πολλά τρανζίστορ σε µία ψηφίδα (chip) σηµαίνει µεγαλύτερη ταχύτητα και πιθανώς περισσότερες λειτουργίες. Σε πολλές περιπτώσεις όµως ο νόµος του Moore για τα ολοκληρωµένα κυκλώµατα (ICs) αφορά µόνο το 10% ενός συστήµατος. Το υπόλοιπο 90% παραµένει και εµφανίζεται ως µια συστοιχία διακριτών παθητικών στοιχείων, όπως αντιστάσεις, χωρητικότητες, πηνία, κεραίες, φίλτρα και διακόπτες, τα οποία βρίσκονται συνδεδεµένα µεταξύ τους πάνω σε µία ή δύο πλακέτες τυπωµένου κυκλώµατος (PCB). Η πραγµατική βελτιστοποίηση απαιτεί εποµένως ένα συνδυασµό από ολοκληρωµένα κυκλώµατα µε διακριτά στοιχεία λεπτού φιλµ κλίµακας µικροµέτρου, όλα ενσωµατωµένα σε νέου τύπου συσκευασία (package) πολύ µικρής διάστασης. Η τεχνολογία που µόλις περιγράφηκε είναι η system-on-package (SOP), η οποία γνωρίζει πολύ µεγάλη άνθιση τα τελευταία χρόνια και απασχολεί αρκετές ερευνητικές οµάδες ανά τον κόσµο. Η τεχνολογία SOP αποτελεί µια εντελώς διαφορετική προσέγγιση των συστηµάτων καθώς µειώνει στο ελάχιστο τις ογκώδεις πλακέτες κυκλωµάτων µε τα εξαρτήµατά τους. Στην πραγµατικότητα θέτει ένα νέο νόµο στην ολοκλήρωση των συστηµάτων, καθώς δεν αναφέρεται µόνο στο διπλασιασµό των τρανζίστορ µέσα στα ολοκληρωµένα κυκλώµατα όπως ο νόµος του Moore, αλλά στο διπλασιασµό της πυκνότητας των στοιχείων σε ένα ολόκληρο σύστηµα και την αντίστοιχη αύξηση του πλήθους των λειτουργιών ενός SOP. Η τεχνολογία SOP ξεφεύγει από τη δοµή των ολοκληρωµένων συστηµάτων πάνω σε πλακέτα και επικεντρώνεται στη σύνδεση όλων των δοµικών στοιχείων (ολοκληρωµένα κυκλώµατα(ο.κ.), παθητικά στοιχεία, διασυνδέσεις) σε µια πολυστρωµατική (multilayer) συσκευασία. Το κύριο χαρακτηριστικό είναι εκτός από την αύξηση των στοιχείων, εποµένως και των λειτουργιών, η δυνατότητα για µείωση των διαστάσεων, µε αποτέλεσµα πιο γρήγορη επικοινωνία ανάµεσα στα Ο.Κ. σε χαµηλότερα ρεύµατα και Κυριακή Μινόγλου 1

τάσεις, εποµένως και µε χαµηλότερη κατανάλωση ισχύος. Επίσης µε τη SOP τεχνολογία δεν υπάρχει περιορισµός ως προς το υλικό κατασκευής των στοιχείων που χρησιµοποιούνται και εποµένως ξεπερνιούνται και τα σχετικά προβλήµατα που θέτει η system-on-chip (SOC) τεχνολογία, που προσπαθεί να συνδυάσει διαφορετικές τεχνολογίες πάνω αποκλειστικά σε πυρίτιο. Τα στοιχεία που χρησιµοποιούνται είναι κατασκευασµένα από Si, από GaAs ή από οποιοδήποτε άλλο υλικό είναι καταλληλότερο για τα ολοκληρωµένα κυκλώµατα και τα διακριτά στοιχεία. Για παράδειγµα τα ψηφιακά κυκλώµατα και κάποια RF όπως ενισχυτές και ταλαντωτές είναι ολοκληρωµένα κυκλώµατα πυριτίου, ενώ ανάµεσα στα στρώµατα της συσκευασίας ενσωµατώνονται ως λεπτά φιλµ κεραίες, πυκνωτές, πηνία, αντιστάσεις, φίλτρα, κρύσταλλοι και κυµατοδηγοί. Για εφαρµογές βιοαισθητήρων αναπτύσσονται αισθητήρες από µικροσκοπικά nanotubes και µικρο-ηλεκτρο-µηχανικά συστήµατα (MEMs). Στο σχήµα1.1 παρουσιάζεται η απεικόνιση ενός συστήµατος SOP, όπου γίνεται φανερή η λογική του many in one. Σχήµα 1.1: SOP το οποίο συνδυάζει τρεις διαφορετικούς τύπους κυκλωµάτων στα διηλεκτρικά στρώµατα [3] Περιλαµβάνει ένα οπτικό κύκλωµα (µε κυµατοδηγό και ανιχνευτή ακριβώς κάτω από την επιφάνεια), RF στοιχεία λεπτού φιλµ (αντιστάσεις, πηνία και κεραίες ενσωµατωµένα στη συσκευασία) και ψηφιακά στοιχεία λεπτού φιλµ (διηλεκτρικά χαµηλών απωλειών, αγωγοί χαµηλής αντίστασης, πυκνωτές αποσύζευξης) στο χαµηλότερο επίπεδο. Επιπλέον, υπάρχουν διάφορα συσκευασµένα ή όχι στοιχεία, όπως µνήµες flash, µικροεπεξεργαστές, system-on-chip (SOC), GaAs λέιζερ δίοδοι του οπτικού κυκλώµατος, MEMS. Ο χρόνος που απαιτείται για το σχεδιασµό και την κατασκευή ενός συστήµατος είναι µικρότερος µε την SOP τεχνολογία, καθώς δεν απαιτείται κάποια συγκεκριµένη τεχνολογία και εποµένως τα κατασκευαστικά βήµατα µπορούν να γίνουν Κυριακή Μινόγλου 2

παράλληλα. Τέλος, µε την τεχνολογία των SOP, µπορούν να δηµιουργηθούν οπτικοηλεκτρονικές διασυνδέσεις ανάµεσα στις ψηφίδες, αντικαθιστώντας τα σύρµατα χαλκού µε οπτικές ίνες και µε την ενσωµάτωση κυµατοδηγών, λέιζερ και ανιχνευτών. Για την εφαρµογή των SOP σε ευρεία κλίµακα απαιτείται η ανάπτυξη σε τρεις κυρίως τοµείς. Πρώτον, θα πρέπει να εξελιχθούν τα υπάρχοντα εργαλεία για ταυτόχρονο σχεδιασµό αναλογικών, ψηφιακών και οπτικών κυκλωµάτων συµπεριλαµβανοµένων των συσκευασιών. εύτερον θα πρέπει να επέλθουν αλλαγές στον τοµέα κατασκευής των σηµερινών ολοκληρωµένων κυκλωµάτων και των συσκευασιών. Οι εταιρείες σχεδιάζουν και κατασκευάζουν τα ολοκληρωµένα κυκλώµατα αλλά εξαρτώνται συνήθως από άλλες εταιρίες για τη συσκευασία τους. Αντίστοιχα, οι εταιρείες σχεδιασµού συστηµάτων βασίζονται σε αυτές που τους παρέχουν τα συσκευασµένα ολοκληρωµένα κυκλώµατα, τις πλακέτες και που αναλαµβάνουν την συναρµολόγηση (assembly) όλου του συστήµατος. Όλο αυτό το µοντέλο που ακολουθείται θα πρέπει να αλλάξει αν υιοθετηθεί η µέθοδος των SOP, καθώς εξαιτίας του τρόπου µε τον οποίο τα SOP σχεδιάζονται και ολοκληρώνονται απαιτούν την ταυτόχρονη ανάπτυξη και κατασκευή τους. Τέλος, η τρίτη αλλαγή που πρέπει να επέλθει σχετίζεται µε τις τεχνολογίες που εφαρµόζονται αν σκεφτεί κανείς την υβριδική φύση των υποστρωµάτων που χρησιµοποιούνται στα SOP. Απαιτούνται στάδια επεξεργασίας λεπτών φιλµ σε καθαρούς χώρους όπως ακριβώς στην κατασκευή των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων, που να είναι χαµηλού κόστους και να µπορούν να εφαρµοστούν σε µεγάλη επιφάνεια του δισκιδίου. Ειδικότερα στον τοµέα των οπτικών, η δυνατότητα που παρέχουν τα MOEMS να ενσωµατώνουν τα οπτικά στοιχεία µέσα σε ένα σύστηµα όπου είναι εφικτή η ακριβής και ελεγχόµενη κίνηση, εποµένως και ο δυναµικός και µεγάλης ακριβείας έλεγχος της φωτεινής δέσµης, αποτελεί σηµαντικό χαρακτηριστικό τους και τα κάνει να ξεχωρίζουν από τα κλασικά οπτικά. Έχοντας στο νου την µεγάλη πρόοδο που έχει σηµειωθεί ήδη στον τοµέα των SOP και των MOEMS αλλά και τη γενικότερη εξέλιξη που αναµένεται να σηµειωθεί στο χώρο της υβριδικής ολοκλήρωσης τέτοιων δοµών, µπορούµε να σκεφτούµε µια πληθώρα πρακτικών και ταυτόχρονα µεγάλης εµπορικής σηµασίας εφαρµογών που µπορούν να αναπτυχθούν ή να εξελιχθούν. Εφαρµογές οι οποίες βασίζονται στα SOP και στα MOEMS µπορεί να έχουν σχέση µε το διάστηµα (µικροδορυφόροι της τάξης των 10-100kg έως τους femto-δορυφόρους της τάξης των <0,1kg, τηλεµετρία, συστήµατα ελέγχου της τροχιάς, προωθητικά συστήµατα, µικρο-µπαταρίες, επιταχυνσιόµετρα και γυροσκόπια, µικρο-φασµατογράφοι), την αµυντική βιοµηχανία (έλεγχος της αεροδυναµικής των αεροπλάνων, µονάδες οδήγησης πάνω σε ψηφίδες για Κυριακή Μινόγλου 3