Введение
Становление радиотехники, электроники, микро- и наноэлектроники. Закон Мура для интегральных электронных схем и конец эры электроники. Альтернативные решения. Фотоника как наиболее перспективное направление развития вычислительной техники.
Попытки «обуздать» электромагнитные поля и явления электромагнетизма в целях решения различных практических задач посредством создания электронных и радиоэлектронных устройств предпринимались с конца XVIII столетия. Первым таким изобретением принято считать электростатический телеграф Лессажа, созданный в 1774 году, и усовершенствованный испанским изобретателем Франсиско де Сальва в 1798 году. Впоследствии, в 1832 году российским учёным Павлом Львовичем Шиллингом был изобретён электромагнитный телеграф [1] и лишь впоследствии в 1833 году был повторён К. Гауссом и В. Вебером в Германии, в 1837 – Куком и Уитстоном в Великобритании, а запатентован Сэмюэлом Морзе в 1840 году в США [2] (рис. 1).
Дальнейшее внедрение телеграфов в различных сферах общественной деятельности позволило значительно ускорить процессы обмена информацией и подстегнуть тем самым экономический рост в конце XIX века. Дальнейшая эволюция электронных устройств связана с именем русского морского офицера Александра Степановича Попова, который в 1895 году продемонстрировал работу первого радио - «грозоотметчика», или, в соответствии с принятой в те времена терминологией, «беспроволочного телеграфа» [3]. Очевидные преимущества беспроводного метода передачи информации посредством радиоволн способствовали ещё более (в сравнении с проводными телеграфами) стремительному повсеместному внедрению, а это в свою очередь стимулировало развитие радиоэлектроники. Постепенно решались задачи оптимизации передачи информации, миниатюризации приёмо-передающих устройств, шумоподавления, корректной обработки сигналов и повышения надёжности в целом.
Очередным важным этапом в развитии радиоэлектроники стало создание сначала электровакуумного диода в 1883 году Томасом Эдисоном, а затем и электровакуумного триода в 1906 году Ли Форестом [4]. В основу работы данных приборов были положены явления электронной эмиссии, а их вольт-амперные характеристики описаны законами степени трёх вторых, Ричардсона-Дешмана, уравнением Шокли [4]. В практическом отношении с началом внедрения электровакуумных приборов удалось значительно повысить надёжность и расширить функциональные возможности электронных устройств, причём расширение функционала достигалось за счёт возможности управлять потоком электронов с помощью промежуточных сеток с приложенным потенциалом в пространстве между анодом и катодом и обеспечения тем самым ступенчатого вида вольт-амперных характеристик (рис. 2).
Впоследствии, теория работы электровакуумных приборов и, в частности, ступенчатые вольт-амперные характеристики стали фундаментальными для компонентов и приборов полупроводниковой электроники [5]. Данный класс электронных приборов стал следующей после вакуумных электроприборов эволюционной ступенью в процессе развития электроники, и ознаменовался изобретением в 1947 году биполярного транзистора У. Браттейном и Д. Бардиным [6] и полевого транзистора в 1948 году Д. Бардиным и У. Шокли [5]. Создание твердотельного аналога вакуумного триода позволило добиться ещё большей надёжности проектируемых электроприборов, расширив тем самым окно возможностей для их применения. Полупроводниковую электронику сразу же стали внедрять на сверхзвуковые самолёты, первые космические и межконтинентальные ракеты, искусственные спутники Земли и в другие области применения, где по тем или иным причинам корпуса вакуумных ламп не могли выдержать агрессивных воздействий окружающих сред: вибраций, высоких температур и перепадов давлений. Именно благодаря изобретению полупроводниковых транзисторов внедрение электроники в сферы общественной жизни становится по-настоящему массовым.
После изобретения полупроводниковых транзисторов прогресс в электронике пошёл по пути миниатюризации электроприборов, а также по пути поиска оптимального материала для их изготовления. Как известно, первые транзисторы были изготовлены на основе германия, однако уже с середины 1950х годов кремний [6], обладающий в сравнении с германием большей шириной запрещённой зоны, стал основным материалом в полупроводниковой электронике.
В части миниатюризации полупроводниковой электроники, в свою очередь, важнейшим изобретением, равным по значимости, пожалуй, изобретению лазера, является создание в 1960 году фирмой Fairchild Semiconductor первой работоспособной полупроводниковой интегральной схемы [7], которая фактически представляла собой несколько транзисторов, выполненных на едином основании. Данное изобретение открыло в электронике эру интегральных схем, которая продолжается до сих пор. Важными достижениями этой эры следует считать как повышение надёжности электроники и уменьшение физических размеров приборов, так и многократный рост производительности одновременно с увеличением функциональных возможностей. Так, если на заре становления полупроводниковых интегральных схем характерный размер транзистора составлял примерно 10 мкм, а транзисторов в такой схеме было не более сотни, то к 2015 году ведущими производителями уже осваивается технология с характерным размером транзистора 10 нм, а плотность транзисторов достигла значения нескольких миллиардов единиц на одну интегральную схему. Данные показатели позволяют использовать полупроводниковую интегральную электронику повсеместно и для широчайшего круга задач, начиная с простейшего выключателя освещения в комнате и заканчивая сверхсложной многопроцессорной системой для обработки результатов столкновений частиц в Большом Адронном Коллайдере.
При этом следует учесть и тот факт, что электроника, последовательно примеряющая на себя по мере уменьшения характерных размеров электронных компонентов приставки микро- и нано-, показывает наибольшие среди всех отраслей промышленности темпы роста характеристик выпускаемых изделий. Существует показательное сравнение, приведённое в журнале «В мире науки» (русское издание «Scientific American») от 1983 года, № 08, в котором утверждается, что «… если бы авиапромышленность в последние 25 лет развивалась столь же стремительно, как промышленность средств вычислительной техники, то сейчас самолёт Boeing 767 стоил бы 500 долл. и совершал облёт земного шара за 20 минут, затрачивая при этом пять галлонов (~18,9 л) топлива…».
Чтобы получить количественное представление о явлении больших темпов роста показателей интегральной полупроводниковой электроники, в 1965 году Гордон Мур, один из основателей Intel [8], на основе анализа хронологии появления новых моделей процессоров вывел закономерность, согласно которой производительность интегральных схем а равно и количество транзисторов в интегральной схеме увеличивается вдвое каждые 24 месяца [9]. Это утверждение получило название «Закона Мура» и оставалось справедливым в течение сорока последующих с момента открытия лет. Однако с каждой новой разработкой инженеры постепенно приближались к физическим пределам масштабируемости электронных интегральных схем, к которым относятся принцип Ландауэра [10] (нижняя граница минимального значения теплоты, выделяемого интегральной схемой при потере одного бита информации), минимальное значение длины канала МОП-транзистора ≈ 1,5 нм (по мере приближения к которому всё большую роль играют квантовые эффекты, а при меньших длинах невозможно локализовать электрон в той или иной функциональной области транзистора), минимальная длина свободного пробега носителей заряда в кремнии (ограничивает масштабирование МОП-транзисторов на уровне 5 нм). На рисунке 3 показана хронология появления новых процессоров вплоть до 2011 года. Как можно видеть, количество транзисторов росло согласно закону Мура в течение всего рассматриваемого периода, однако начиная с 2005 года, производительность процессоров увеличивается не за счёт уменьшения МОП-транзисторов, а путём разбиения процессора на логические ядра. При этом каждое новое уменьшение физических размеров МОП-транзисторов, а равно и переход к новой технологии требует больше времени на проведение сопутствующих исследований, направленных на разработку технологий. Так, освоение фирмой Intel транзисторов с длиной канала 22 нм ознаменовалось внедрением технологии FinFET, при которой канал транзистора представляет собой трёхмерную структуру, а затвор окружает пространство между стоком и истоком с трёх сторон (рис. 4) [11].
Однако, наряду с работами в направлении усовершенствования МОП-транзисторов и в целом электроники на основе кремниевых структур, предпринимается ряд более радикальных попыток «продлить жизнь» закону Мура, среди которых:
- использование гетероструктур, таких как InP, GaAs, AlGaAs и др. вместо кремниевых структур позволяет увеличить частоту электронных компонентов, однако технологические процессы до сих пор не обеспечивают выхода годной продукции и стоимости, сопоставимых с кремниевыми изделиями [12];
- использование структур на основе спинтроники и явлениях переноса спин-поляризованных состояний, основными электронными компонентами которой являются спиновый элемент памяти и джозефсоновский переход, с помощью которых можно создавать интегральные схемы с тепловыделением 10-17 Дж на вентиль [13];
- и наконец, переход от использования электрона в качестве основной частицы в приборах вычислительной техники к смешанным фотонно-электронным и полностью фотонным решениям, к которым можно отнести фотонные интегральные схемы.
Используя фотон в качестве основной частицы для приборов фотоники, возможно получить интегральные схемы с быстродействием на несколько порядков больше, чем у современных электронных интегральных схем и процессоров [13]. В частности, в полностью оптических устройствах управление сигналом может осуществляться за время 10 фс, скорость передачи информации может достигать 1 Тбит/с, а энергия управляющего сигнала – 1 .. 5 фДж [14]. При этом элементы интегральной фотоники могут быть освоены в производстве на основе уже известных и отработанных технологий интегральной электроники как на основе кремния, так и на основе гетероструктур, а в случае гибридных электронно-фотонных схем долю фотонных интегральных компонентов можно наращивать по мере освоения технологий их создания.
Вследствие оптимального сочетания преимуществ, показанных выше, фотонно-электронные и фотонные интегральные схемы являются наиболее перспективными в качестве альтернативы интегральной электронике. Как следствие, работы в области интегральной фотоники актуальны [15] для российской науки и экономики.
Вследствие вышеперечисленного в данной работе предполагается рассмотреть основные этапы развития интегральной фотоники и фотоэлектронных структур, отследить их эволюцию.
Место интегральной фотоники среди областей знания
Создание лазера. Фотоника. Интегральная полупроводниковая технология. Оптика. Научный синтез на пересечении областей знания.
В настоящий момент интегральная фотоника как область знания находится в стадии своего зарождения и фактически представляет собой результат синтеза достижений нескольких научных направлений, таких как полупроводниковая электроника, фотоника как наука о лазерах, классическая и волноводная оптика.
Во введении были рассмотрены основные этапы становления и развития полупроводниковой электроники: было отмечено, что полупроводниковая электроника к настоящему времени практически исчерпала свои технологические резервы для дальнейшего обеспечения экспоненциального роста производительности интегральных схем, но отработанные в течение десятилетий технологии могут стать основой для создания фотонных интегральных схем.
Другая научная область, от которой ведёт свою историю интегральная фотоника, связана с основными открытиями в классической оптике, распространении электромагнитных волн в различных средах, с созданием лазера и с дальнейшим развитием этого направления. Как известно, квантовый оптический генератор, или лазер, основанный на эйнштейновской концепции вынужденного излучения (1917 год) [16, 17] и квантовой теории вынужденного излучения Поля Дирака (1927 год) [16, 17], был создан в 1960 году Т. Мейманом [17]. В данном устройстве в качестве активной среды использовался кристалл искусственного рубина, а в качестве резонатора был использован резонатор Фабри-Перо. Изобретение показало принципиальную возможность получения когерентного излучения в оптическом диапазоне и положило начало лазерной технике как области знания. Впоследствии была показана принципиальная возможность создания лазеров на основе экзотермических газовых реакций (1961 год - Полани), оптического волокна (1961 – Снитцер, Хикс), полупроводниковых диодов (1962 год - Басов), газовой двухкомпонентной среды (1962 год – Уайт, Риджен), красителей (1971 год – Когельник, Шанк). Каждый из указанных типов лазеров обладал уникальными преимуществами и недостатками и впоследствии нашёл свою сферу применения. Так, газовые лазеры благодаря дешевизне и лёгкости эксплуатации нашли широкое применение как инструмент для промышленной резки и сварки металлов. Твердотельные лазеры прочно заняли своё место в качестве измерительных комплексов на подвижных системах вооружения, установках космического и метеорологического назначения, медицинских системах. Полупроводниковые лазеры – как сравнительно компактные установки потребительского и бытового назначения, а волоконные лазеры – для обеспечения передачи информации, как основа систем стабилизации и пространственной ориентации воздушного транспорта.
При всём многообразии типов лазеров, определяющую роль в становлении интегральной фотоники сыграло развитие лазеров на полупроводниковых диодах и лазеров на оптических волокнах. После изобретения в 1962 году Н.Г. Басовым лазера на арсениде галлия, работы над полупроводниковыми лазерами были продолжены Ж.И. Алфёровым, Г. Кромером и Р.Ф. Казариновым, которые сначала выдвинули идею (1963), а затем создали и рабочий образец лазера на основе двойных гетероструктур (1968). После этого, в 1976 году Дж. Гсиехом были созданы лазерные диоды на основе гетероструктур InGaAsP, а спустя ещё три года был создан поверхностно-излучающий лазерный диод (Х. Сода). Далее, в 1981 году Ф. Кояма и др. разработали лазерные диоды с распределённым отражателем Брэгга на основе структур GaInAsP / InP и, наконец, в 1996 году в качестве основы голубых лазерных диодов С. Накамурой был использован нитрид галлия. Все эти разработки, и особенно, лазеры на основе двойных гетероструктур, предложенных и внедрённых Ж.И. Алфёровым, наряду с полупроводниковыми интегральными схемами положили начало информационной революции семидесятых годов XX века [18]. Полупроводниковые лазеры внедрялись в качестве измерительных инструментов в системах вооружения, основах считывающих головок в системах считывания/воспроизведения компакт-дисков, а в сочетании с оптическим волокнами – и как ключевой элемент глобальной системы передачи информации, благодаря которому Интернет смог шагнуть за пределы научных и военных лабораторий, и на сегодняшний день доступен миллиардам жителей Земли.
Волоконные лазеры и оптические волокна, в свою очередь, ведут свою историю с XIX века, когда Джоном Тиндалем впервые был продемонстрирован принцип передачи света, характерный для волоконной оптики и основанный на явлении полного внутреннего отражения электромагнитных волн на границе раздела диэлектриков с разными показателями преломления [19, 20]. Следующей вехой данного направления на пути к интегральной фотонике стало изобретение в 1934 году инженером Норманом Р. Френчем оптической телефонной системы, в которой речевые сигналы передавались посредством света через стеклянные стержни [19]. Чуть более четверти века спустя, а именно в 1961 году упомянутые выше Снитцер и Хикс продемонстрировали передачу лазерного излучения по оптическому волокну, а в 1962 появились первые лазерные диоды: оставалось только преодолеть проблему затухания сигнала в оптическом волокне и объединить его с полупроводниковым лазером. Проблема затухания сигнала была решена в 1966 году Чарльзом Као и Джорджем Хокхамом путём создания оптического волокна с затуханием 20 дБ/км (сравнимо с коаксиальными кабелями); примерно в это же время окончательно состоялась конфигурация волоконного лазера (рис. 5) с блоком накачки (3) в виде лазерного диода, брэгговским резонатором (2) и участком активного волокна (1). При этом сами оптические волокна с низким коэффициентом затухания сигнала были поставлены в промышленное производство в 1970 году компанией Corning, но это уже были многомодовые волокна, в отличие от одномодового волокна Као и Хокхама.
Дальнейшие изыскания исследователей и инженеров в области создания оптических волноводов велись по направлениям уменьшения коэффициента затухания сигнала в волокне, повышением физической гибкости волокна, апробации волокон различного сечения (в наибольшей степени распространены волноводы круглого сечения, чуть менее - прямоугольного), поиском наиболее оптимального (с наименьшими потерями сигнала) сочленениями оптических волокон. Постепенно в оптике оформился специальный раздел, изучающий явления и процессы, которые возникают при взаимодействии электромагнитных волн и диэлектрических сред, вопросы распространения и затухания электромагнитных волн в таких средах, Фурье-оптику, оптику поляризации и другие аспекты в приложении к оптическим волноводам и волокнам [20, 21].
Планарные оптические волноводы или волноводы с прямоугольным поперечным сечением были отработаны после появления оптических волноводов с круглым поперечным сечением. При этом сама идея планарного диэлектрического волновода прорабатывалась начиная с 1910 г., а в 1965 году Андерсон совместно со своей группой создали планарные волноводы для инфракрасной части электромагнитного спектра [22, 23, 24]. С изобретением планарного волновода стало возможным формирование светопроводящих шин на поверхностях, в том числе, на печатных платах электронных и электронно-фотонных устройств, что сулило большие перспективы в интеграции вычислительно-информационных устройств, создание устройств на новых принципах.
В целом можно видеть, что в десятилетний промежуток между 1960 и 1970 годом произошло изобретение полупроводниковой интегральной схемы, различных видов лазеров и освоение в производстве оптоволокна. Эти изобретения как каждое в отдельности, так и использованные совместно, положили начало информационной революции и определили облик современного человеческого общества, а также заложили предпосылки к появлению интегральной фотоники, созданию фотонных интегральных схем. Эти предпосылки впервые были замечены и получили осмысление в 1969 в статье С. Миллера «Интегральная оптика: введение», опубликованной в «The Bell System Technical Journal» [25]. В данной работе также впервые в истории Миллер вводит понятия «интегральная оптика», «оптический интегральный процессор» и «оптическая интегральная схема» и описал основные особенности нового поколения устройств. В дальнейшем, с распространением в употреблении понятия «фотоника», на смену указанным понятиям пришли понятия «интегральная фотоника», «фотонный интегральный процессор» и «фотонная интегральная схема» [13].
Фактически, с появлением раздела интегральной фотоники, научное сообщество и общество в целом стали свидетелями объединения и синтеза основных научных и инженерных направлений, определивших современную культуру и облик техногенной цивилизации: лазерной техники, интегральной полупроводниковой электроники, волноводной техники и классической оптики. Так, от классической оптики новая наука унаследовала базовые принципы волновой и пучковой оптики, явления дифракции, интерференции, распространения электромагнитных волн в диэлектрических средах и их затухания, теорию поляризации света. Волноводная техника «поделилась» технологиями создания планарных волноводов, энергоэффективных сочленений волноводов, способами уменьшения потерь сигнала в волноводе. Интегральная полупроводниковая электроника становится на наших глазах технологической основой для построения фотонно-электронных и фотонных интегральных схем. И наконец, лазерная техника «добавляет» лазерные полупроводниковые диоды и лазеры на их основе, как источники когерентного излучения для питания фотонных интегральных схем.
Качественная основа компонетов интегральной фотоники
Гетероструктуры и структуры на основе кремния. Структура кремний на изоляторе КНИ и её разновидности. Перспективы структур КНИ в качестве основы элементной базы интегральной фотоники.
В предыдущих разделах работы было показано, что объединение в одном устройстве компонентов, оперирующих как электронами, так и фотонами, а в перспективе – переход на полностью фотонные интегральные схемы является закономерной тенденцией и, по-видимому, представляет собой наиболее оптимальный и перспективный способ справиться со всевозрастающими потоками используемой обществом информации и удовлетворить закону Мура [9]. Так как интеграция фотонных и электронных компонентов закономерно происходит на единых подложках из полупроводниковых материалов, а фотонные интегральные компоненты изготавливаются с применением технологий изготовления интегральной электроники, необходимо рассмотреть качественную основу интегральной фотоники. Такой основой, в зависимости от исполнения, могут быть гетероструктуры и структура кремния на изоляторе или КНИ (Silicon On Insulator, SOI).
Прежде всего, хотелось бы рассмотреть гетероструктуры, и в частности, пару соединений – GaAs и AlAs, так как на основе этих соединений создана как электронная элементная база, так и полупроводниковые диоды и лазеры, что является несомненным преимуществом при создании электронно-фотонных устройств [18]. Существует ещё целый рад преимуществ подобных гетероструктур, которые рассмотрены в работе [26]. Приведём только основные:
- сплав Ga1-xAlxAs с непостоянным содержанием алюминия ввиду почти одинаковых постоянных решёток (GaAs – 5,646 Å, AlAs – 5,369 Å) можно выращивать эпитаксиально с минимальными граничными напряжениями в кристаллических решётках, что позволяет уменьшить коэффициент затухания сигнала в создаваемых оптических волноводах и межсоединениях, а также избежать рассеяния излучения на дефектах кристаллической решётки;
- при этом арсенид галлия и арсенид алюминия имеют прямозонную структуру, что, как известно, допускает энергетические переходы электронов из зоны проводимости в валентную зону с испусканием фотонов (в случае арсенида галлия с длиной волны 0,91 мкм, арсенида алюминия – вплоть до 0,65 мкм);
- достигаемый диапазон длин волн испускаемых фотонов от 0,65 до 0,91 мкм перекрывает частоту (соответствующую длине волны 0,85 мкм) минимального поглощения большинства используемых на практике стекол (рис. 6);
также следует обратить внимание и на то, что галлий-алюминий-арсенид оптически прозрачен в диапазоне длин волн от 0,6 до 12 мкм, а его показатель преломления изменяется в значительном диапазоне при изменении доли алюминия, что позволяет создавать волноводы с различными коэффициентами затухания, реализуя таким образом аналоги электронных приборов и компонентов.
Однако, несмотря на указанные преимущества гетероструктур, в сравнении со структурами КНИ, их производство дороже вследствие многократной лучевой эпитаксии, менее масштабно, а дефектность даже самых лучших образцов структур заметно уступает структурам на основе кремния. Это и определяет, в конечном итоге, выбор инженеров в пользу структур КНИ в качестве основы для фотонных и фотонно-электронных интегральных схем.
Структуры КНИ, в свою очередь, представляют собой кремниевую подложку со сформированными тем или иным образом слоем промежуточной изоляции и вышележащим слоем кремния (рис. 7).
В качестве изолятора может выступать как диоксид кремния SiO2, так и сапфир. При этом в последние два десятилетия, ввиду значительного уменьшения потребности в пластинах с сапфировой изоляцией, условились обозначать как КНИ – пластины с диоксидом кремния, а КНС (кремний на сапфире) – пластины на сапфире. Так как пластины КНИ с диоксидом кремния в качестве слоя изоляции представляют собой идеальную основу для формирования планарных оптических волноводов, рассмотрим историю их появления и эволюцию данной технологии.
Впервые идея разместить сплошной слой диоксида кремния ниже уровня стоков и истоков МОП-транзисторов с целью уменьшения паразитных ёмкостей и предотвращения эффекта паразитного биполярного транзистора была предложена на фирме IBM (IBM Research Division) в 1989 году [27]. Внедрение данной технологии в микроэлектронике позволило бы:
- поднять верхний температурный предел для интегральных схем с 125оС до 300-400оС;
- уменьшить токи утечки в компонентах интегральных схем;
- значительно увеличить радиационную стойкость электронных интегральных компонентов.
Поэтому уже в 1994 году IBM представила свой первый прототип процессора с технологической нормой 350 нм на основе КНИ-подложки, но, вследствие плохой воспроизводимости электрофизических параметров от подложки к подложке, серийное производство КНИ-процессоров началось лишь в 1998 году с модели PowerPC c технологической нормой 220 нм. Данный процессор оказался на 30% быстрее аналога на основе объёмного кремния, что подтвердило перспективность развития данного направления. Впоследствии моногие мировые производители, в том числе такие известные, как Toshiba, AMD, SONY также освоили производство процессорной техники на основе структур КНИ.
До настоящего времени разработано несколько способов получения пластин с изоляцией диэлектриком или, в соответствии с принятой в отечественной литературе терминологией, пластин со скрытым диэлектриком. Одной из таких технологий является технология имплантации ионов кислорода в объём кремниевой подложки с последующим отжигом SIMOX(Separation by IMplantation of OXygen). Технология SIMOX была разработана двумя независимыми коллективами в Японии в 1966 году (М. Wanatabe, A. Tooi) [28] и в СССР в 1967 (П.В. Павлов, Э.В. Шитова) [29], однако при проведении этих исследований не стояла задача получения структур КНИ. И тем не менее, эти работы стали основой для последующих разработок фирмы IBM.
Существенным недостатком технологии SIMOX являлась высокая дефектность конечной структуры, вызываемая ионной имплантацией, что и явилось препятствием в освоении IBM серийного производства процессоров на КНИ. Поэтому в 1995 году была запатентована технология ITOX-SIMOX (Internal Thermal Oxidation). Новая технология предполагала уменьшение дозы имплантируемых ионов и одновременный подогрев подложки до температуры 550 - 650оС. Так удалось уменьшить дефектность пластин, однако при этом возросла стоимость их изготовления.
Другой, более перспективный путь создания пластин КНИ предполагает операцию твердофазного сращивания при высокой температуре двух пластин гомогенного кремния, поверхность одной из которых предварительно термически окислена, с последующим травлением приборного слоя кремния. Данная идея была предложена в 1986 году независимыми коллективами из IBM [30] и Toshiba [31] также для решения других целей и задач. При этом с точки зрения создания пластин КНИ данный метод значительно дешевле чем SIMOX и ITOX-SIMOX и позволяет получить более однородные пластины с более чёткими границами раздела полупроводник-диэлектрик.
Ещё один способ формирования пластин КНИ, называемый технологией управляемого скола (Smart Cut), был предложен в 1995 году М. Брюэлем, специалистом Soitec [32]. Данный способ аналогичен предыдущему за исключением введения операции внедрения ионов водорода в слой диоксида кремния на одной из подложек, за счёт которого впоследствии при сращивании пластин создаётся область управляемого скола, по которому происходит отделение части кремния будущего приборного слоя от пластины. Данный метод позволяет формировать наименее тонкий приборный слой, обеспечивая тем самым возможность масштабировать электронные компоненты, уменьшать их.
Из перечисленных технологий создания подложек КНИ в настоящее время наибольшее распространение получили технологии термического сращивания пластин и SmartCut. эти технологии обеспечивают минимальный уровень дефектов в объёме структуры при минимальной стоимости производства пластин. Эти преимущества являются ключевыми не только при создании компонентов электроники, но и для интегральных фотонных устройств, позволяя создавать планарные волноводы с малыми коэффициентами поверхностного искривления и затухания сигнала, модуляторы и ветвления. При этом кремниевая технология позволяет производить фотонные устройства массово, в отличие от гетероструктурной технологии.
Обзор компонентов интегральной фотоники
После того, как рассмотрены основные вехи становления интегральной фотоники с точек зрения разных областей знания, установлен ряд образующих предпосылок, лежащих в основании зарождающегося нового направления и определены качественные основы для реализации фотонных интегральных схем, рассмотрим основные устройства и компоненты фотонной интегральной схемы, разработанные на настоящий момент.
Среди всех компонентов фотонной интегральной схемы важную роль играет планарный волновод как самостоятельный элемент фотонной интегральной схемы, так как при уменьшении характерных размеров структур роль играет не только непосредственное наличие фотонного провода – волновода для соединения структур, но и его взаимное расположение на фотонной интегральной схеме относительно других компонентов (рис. 8).
Важнейшую роль играет также источник излучения – лазер. В настоящее время, как упоминалось выше, существуют лазеры на гетероструктурах, что осложняет их сопряжение с кремниевыми интегральными схемами. Однако, в настоящее время, с одной стороны развиваются технологии по созданию гибридных интегральных схем, в которых на общем кремниевом основании с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии выращивают участки гетероструктур, на которых формируются необходимые элементы, а с другой стороны, ведутся работы по созданию рамановского кремниевого лазера, представляющего собой волноводную петлю с разветвителями (рис. 9) [33].
Наряду с лазерами важно иметь в фотонной интегральной схеме фотоприёмники – поглотители оптического излучения. В настоящий момент в этом направлении заметные результаты достигнуты европейским проектом HELIOS, который предполагает создание германиевого фотодетектора на кремнии с характерным размером 3 мкм [34].
Следующим компонентом фотонной интегральной схемы является модулятор излучения. В настоящий момент известно много различных схем модуляторов, в том числе интерферометр Маха-Цендера, электрорефрактивный, электроабсорбционный, модулятор с кольцевым резонатором [35]. Каждый из них обладает рядом преимуществ и недостатков, однако необходима их более широкая апробация и испытания для выявления наиболее оптимального решения.
Помимо перечисленных фотонных интегральных компонентов в настоящее время различными коллективами ведётся разработка фотонных АЦП (ФАЦП), фотонных датчиков механических напряжений, фотонных датчиков давления, фотонных элементов энергонезависимой памяти. К настоящему времени все эти достижения постепенно воплощаются и в реальных действующих образцах. Так, в июне 2010 года Intel Photonics Technology Lab продемонстрировало интегральную оптическую схему, которая содержала пять гибридных лазеров, модуляторы, мультиплексоры – демультиплексоры и фотоприемники; схема обеспечивала скорость передачи данных до 40 Гбит/с [36].
Заключение
В данной работе был всесторонне рассмотрен процесс перехода от приборов электроники к фотонным интегральным схемам и устройствам на их основе и становление новой области знания – интегральной фотоники. Важно, что указанные процессы происходят фактически на наших глазах, а их последствия имеют большие перспективы в будущем.
Именно поэтому в рассмотрении были затронуты несколько ключевых направлений современной науки и инженерии, определивших развитие общества и науки в последние 40 лет, такие как электроника (с момента появления первых электрических телеграфов), лазерная техника (с момента первых теорий о вынужденных переходах) и техника оптических волноводов и волокон. Отмечается, что эти направления внесли примерно одинаковый вклад в синтез и рождение новой науки.
Далее рассматриваются физические структуры микро- и наноэлектроники, на основе которых создаются фотонные интегральные схемы: гетероструктуры и структуры КНИ. Показываются их основные преимущества и недостатки. В качестве вывода формируется перспективная концепция построения фотонных интегральных схем на основе структур КНИ с постепенным уменьшением доли электронных компонентов в пользу фотонных.
Приведённое рассмотрение завершается кратким обзором фотонных интегральных компонентов, разрабатываемых или уже разработанных на сегодняшний день с приведением реально достигнутого уровня лабораторией фотоники фирмы Intel.
Таким образом, на основании приведённых предпосылок можно заключить, что в настоящее время человеческое общество переживает новую технологическую революцию, в результате которой выполнение закона Мура, а также обеспечение взаимодействия людей с большими потоками информации станет осуществляться посредством нового класса устройств – фотонных интегральных схем.
Литература
1. Самые знаменитые изобретатели России / Автор-составитель С.В. Истомин. - М.: Вече, 2000 - 469с.
2. Уилсон М. Американские учёные и изобретатели / Пер. с англ. В. Рамзеса; под ред. Н. Тренёвой. – М.: Знание, 1975. – С. 27-34. – 136 с. – 100000 экз.
3. Беспроводной телеграф / Военная энциклопедия : [в 18 т.] / под ред. В. Ф. Новицкого [и др.]. – СПб.; [М.] : Тип. т-ва И. В. Сытина, 1911—1915.
4. Батушев В.А. Электронные приборы: Учебник для вузов. — 2-е, перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1980. – 383 с.
5. Зи, С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах. Кн. 2. / С. Зи; пер. с англ. – 2-е перераб. и доп. изд. – М.: Мир, 1984. – 456 с.
6. Зи, С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах. Кн. 1. / С. Зи; пер. с англ. – 2-е перераб. и доп. изд. – М.: Мир, 1984. – 456 с.
7. Петров Л., Удовик А. Кто изобрёл… интегральную схему? // Электронные компоненты. 2013. №8. С. 10-11.
8. Тим Джексон Inside Intel. История корпорации, совершившей технологическую революцию XX века = Iside Intel. The unauthorized history of the world’s most successful chip company. – М.: Альпина Паблишер, 2013. – 328 с.
9. А. Скоробов, «Закон Мура» // Сайт математико-механического факультета УрГУ, 2005
10. Рольф Ландауэр «Необратимость и выделение тепла в процессе вычислений», Перевод И.О. Чередникова, А.Г. Холмской, опубликован в «Квантовый компьютер и квантовые вычисления. Том 2», 1999, ISBN 5-7029-0338-2, С. 9-32
11. H.Iwai Roadmap for 22 nm and beyond // Microelectronic Engineering. – Elsevier, 2009. – Vol. 86, fasc. 7-9. – P. 1520–1528
12. Алферов Ж.И., Гетеропереходы в полупроводниках и приборы на их основе, в кн.: Наука и человечество, M., 1975
13. Welch D., Joyner C., Lambert D. et al. III–V photonic integrated circuits and their impact on optical network architectures // Optical Fiber Telecommunications / Ed. by I. P. Kaminow, T. Li, A. E. Willner. – Academic Press, 2008. P. 343–379
14. Никоноров Н.В., Шандаров С.М. Волноводная фотоника / Учебное пособие, курс лекций. СПбГУ ИТМО, 2008. – 143 с.
15. Дорожная карта по развитию фотоники в Российской Федерации в 2013-2020г.г. // Пояснительная записка. – Министерство промышленности и торговли Российской Федерации. 33 с.
16. Кондиленко И.И., Коротков П.А., Хижняк А.И. Физика лазеров. – Киев: Вища школа, 1984. – 232 с.
17. Звелто О. Принципы лазеров. – М.: Мир, 1990. – 559 с.
18. Zhores I. Alferov The double heterostructure: concept and its applications in physics, electronics and technology / Nobel Lecture, December 8, 2000. – 29 p.
19. Душутин Н.К., Моховиков А.Ю. Из истории физики конденсированного состояния // Иркутский государственный университет, 2014. – С. 157.
20. Салех Б., Тейх М. Оптика и фотоника. Принципы и применения. Пер. с англ.: Учебное пособие. В 2 т. Т. 1 / Б. Салех, М. Тейх – Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2012. – 760 с.
21. Маркузе Д. Оптические волноводы / пер. с англ.; под ред. В.В. Шевченко. – М.: Мир, 1974. – 567 с.
22. Введение в интегральную оптику: Пер с англ. / Под ред. М. Барноски. – М.: Мир, 1977. – 367 с.
23. Интегральная оптика: Пер. с англ. / Под ред. Т. Тамира. – М.: Мир, 1978. – 344 с.
24. Хансперджер Р. Интегральная оптика: Теория и технология / Пер. с англ. – М.: Мир, 1985. – 379 с.
25. Miller S. E. Integrated Optics: An Introduction: The Bell System Technical Journal. – 1969. – Vol. 48, № 7. – P. 2059-2069.
26. Барабаненков М.Ю. Кинетика химической стадии ионно-лучевой модификации кремния и мезоскопические эффекты в ионно-модифицированных структурах / Диссертационная работа на соискание учёной степени доктора физико-математических наук. – Черноголовка, 2001. – 351 с.
27. SOI Technology: IBM’s Next Advance In Chip Design – Обзорная статья о КНИ и общих принципах функционирования современных цифровых микросхем. – http://www.ibm.com.
28. M. Watanabe, A. Tooi. Formation of SiO2 Films by Oxygen-Ion Bombardment. Jap. J. Appl. Phys., vol. 5, p. 737-8,1966.
29. P.V. Pavlov, E.V. Shitova. The Structure of Oxide Films Obtained by Oxygen Ion Bombardment of a Silicon Surface. Soviet Physics Doklady, Vol. 12, p.11, 1967.
30. Lasky J.B. Wafer bonding for silicon-on-insulator technologies / Appl. Phys. Lett. – 1986, V.48, No 1. – P. 78–80.
31. Shimbo M. et al. Silicon-to-silicon direct bonding method / J. Appl. Phys. 1986, V.60, № 8. – P. 2987–2989.
32. Bruel M. PROCESS FOR THE PRODUCTION OF THIN SEMICONDUCTOR MATERIAL FILMS/ Invention patent US5374564 (A). Application number: US19920945001 19920915. Date of publication: 20.12.1994. Classification: B28D5/00, G01L9/00, H01L21/02, H01L21/027, H01L21/205, H01L21/265, H01L21/762, H01L27/12, H01L31/04, H01L33/00, H01L21/265.
33. Rong, H. et al. Low-threshold continuous-wave Raman silicon laser, Nature Photon, 2007. – 1, P. 232–237.
34. L. Vivien et al, Modulators and photodetectors developed in the framework of the European HELIOS project, Proc. of SPIE Vol. 7606 76060S
35. Xu.Q et al., Micrometer - scale silicon electrooptic modulator, Nature,435, 325 – 327, 2005
36. The 50G Silicon Photonics Link // White Paper, July 2010. – 5 p.