Nederlandstalige Samenvatting 1. Heterogene integratie

Transcriptie

1 Nederlandstalige Samenvatting 1. Heterogene integratie Geïntegreerde fotonische circuits bieden het potentieel om goedkope en compacte optische functies te realizeren. Silicium-op-isolator (SOI) treedt naar voren als een veel belovend materiaal om deze componenten in te integreren, omwille van zijn groot omni-directioneel brekingsindexcontrast. Bovendien kan gebruik gemaakt worden van de micro-elektronica processing infrastructuur voor de fabricage van deze componenten. De integratie van licht emitterende, licht versterkende en licht detecterende componenten in het nabije infrarood, rond de telecommunicatiegolflengtes van 1.55µm en 1.3µm (waarvoor de attenuatie en dispersie in een optische vezel respectievelijk het laagst zijn), wordt echter bemoeilijkt door de indirecte bandkloof van silicium. Alhoewel vooruitgang wordt geboekt op het vlak van lichtemissie uit silicium, ofwel door het silicium te wijzigen op een nanometer schaal of door zijn niet-lineaire optische eigenschappen uit te buiten, zullen deze componenten binnen afzienbare tijd geen betere performantie halen dan hun III-V halfgeleider tegenhangers, die vandaag de dag de state-of-the-art optische componenten leveren voor de telecommunicatiemarkt. Om geïntegreerde fotonische circuits te fabriceren die zowel passieve als actieve optische functies bevatten, wordt in dit werk de heterogene integratie van passieve SOI golfgeleidercircuits en actieve InP/InGaAsP componenten voorgesteld. Om de kost van het integratieproces te verminderen, zowel in tijd als in consumptie van duur III-V epitaxiaal materiaal, wordt in dit werk een die-to-wafer bonding proces voorgesteld, waarin verschillende ongeproceste InP/InGaAsP dies met de epitaxiaallagen naar beneden toe gekleefd worden op de geproceste SOI wafer. Dit reduceert de materiaalconsumptie omdat 1

2 2 CONTENTS Figuur 1: Heterogene integratie van III-V componenten en SOI golfgeleidercircuits - procesvolgorde enkel III-V materiaal wordt geplaatst daar waar het nodig is en reduceert ook de tijd nodig voor het integratieproces daar slechts een beperkte alignatienauwkeurigheid nodig is, omwille van het ontbreken van enige structuur in de epitaxiaallagen. Na het verwijderen van het InP substraat, kunnen actieve opto-elektronische componenten worden gefabriceerd in de epitaxiaallagen, gebruik makend van waferschaaltechnieken en lithografisch gealigneerd ten opzichte van de onderliggende structuren in het SOI. De procesvolgorde is schematisch weergegeven in figuur 1. Alhoewel er verschillende methodes zijn om een InP/InGaAsP epitaxiale lagenstructuur te integreren op een SOI substraat (epitaxiale groei, moleculaire bonding, adhesive bonding, anodisch bonden, metallische bonding), werd in dit werk een adhesive bonding proces voorgesteld, daar deze enkele belangrijke voordelen heeft. De minder strikte vereisten qua oppervlaktekwaliteit in termen van contaminatie en partikels, gecombineerd met de planarizerende eigenschappen van het spin coating proces voor het aanbrengen van het polymeer, bieden een versoepelde substraatvoorbereiding. Bovendien grijpt het bonding proces plaats bij lage temperatuur, hetgeen de spanningen in de gebonde lagenstructuur vermindert. Het thermisch hardende polymeer DVS-BCB (divinylsiloxane-bis-benzocyclobutene) werd geselecteerd voor de procesontwikkeling omwille van zijn excellente planarizatie eigenschappen, zijn hoge glastransitietemperatuur (hetgeen belangrijk is om voldoende thermisch budget te hebben voor de post-processing van de epitaxiaallagen), de lage krimp van het materiaal en het feit dat geen bijprodukten gecreëerd worden tijdens het uitbakken.

3 CONTENTS 3 2. Bonding proces ontwikkeling Twee types bonding procedures werden ontwikkeld in dit werk, één gebaseerd op standaard DVS-BCB laagdikten die behaald kunnen worden met commercieel verkrijgbare oplossingen (>1µm) en één gebaseerd op dunne DVS-BCB bonding lagen (>300nm), waarvoor een zelf gemaakte DVS-BCB oplossing werd gebruikt. Terwijl in het eerste geval de planarizatie van de SOI topografie en de insluiting van partikels aan de bonding interface geen belemmering vormen, is dit veel meer het geval voor de dunne DVS-BCB lagen. De planarizerende eigenschappen van het DVS-BCB werden onderzocht, hetgeen resulteerde in een aantal design rules voor de SOI topografie om voldoende planarizatie te bekomen. De voorbereidingsprocedure voor beide substraten werd geoptimaliseerd om contaminatie van de te bonden oppervlakken te vermijden en om de sterkte van de bond te maximaliseren. Na het reinigen van de substraten en spin coaten van het DVS- BCB worden de substraten samengebracht in een vacuumomgeving om het insluiten van lucht aan de bonding interface te vermijden. Het DVS-BCB wordt uiteindelijk uitgehard onder een uniforme druk om een intiem contact van beide substraten te bereiken. Het ontwikkelde bonding proces is schematisch weergegeven in figuur 2. Bonding was succesvol tot DVS-BCB laagdiktes van 300nm op een 220nm hoge SOI topografie, zoals getoond in figuur 3. Na het bonden wordt het InP substraat verwijderd door middel van een combinatie van mechanisch verdunnen en chemisch etsen tot een etsstoplaag wordt bereikt. De spanningen in de gebonde lagenstructuur werden zowel theoretisch als experimenteel bestudeerd in dit werk, hetgeen aantoonde dat de spanningen bij kamertemperatuur voldoende laag zijn voor optische toepassingen. Het post-bonding thermisch budget is beperkt om geen dislocaties in de gebonde epitaxiale lagenstructuur te genereren. 3. Optische koppelingsschema s Naast het ontwikkelen van een DVS-BCB bonding proces werden in dit werk verschillende schema s geanalyseerd om op efficiënte manier licht te koppelen tussen de SOI passieve golfgeleiderlaag en de gebonde epitaxiale lagenstructuur. Een koppelingsschema gebaseerd op adiabatische modetransformatie toont de hoogste koppelingsefficiëntie, de grootste fabricage tolerantie en grootste optische bandbreedte, ten nadele van zijn afmetingen. Koppelingsschema s gebaseerd op diffrac-

4 4 CONTENTS Figuur 2: Ontwikkeld DVS-BCB bonding proces Figuur 3: Cross-sectie van een gebonde lagenstructuur

5 CONTENTS 5 tieve roosters tonen een iets lagere efficiëntie en optische bandbreedte maar zijn veel compacter. Het voorgestelde koppelingsschema is getoond in figuur 4, hetgeen een geïnverteerde adiabatische taper koppelaar in SOI weergeeft, waarboven zich een polymeergolfgeleider bevindt. Deze polymeergolfgeleider is gekoppeld aan de actieve InP/InGaAsP lagenstructuur. Hoge koppelingsefficiëntie over een grote optische bandbreedte kan op deze manier worden bereikt, zowel voor de koppeling van licht dat zich in de SOI golfgeleider bevindt naar een III-V fotodetector in de InP/InGaAsP laag of om licht vanuit een gebonde laserdiode te koppelen naar de SOI golfgeleider. Daar het probleem van de koppeling van licht tussen beide golfgeleiderlagen sterk verwant is met het probleem van optische koppeling met een glasvezel, werden in dit werk de geanalyzeerde koppelingsschema s ook toegepast op dit probleem. Zowel een koppelaar gebaseerd op een adiabatische taper als een koppelaar gebaseerd op een diffractief rooster werden geanalyseerd en gefabriceerd. Alhoewel beide structuren reeds voorgesteld werden in de literatuur, werden enkele markante verbeteringen aangebracht. In het geval van de adiabatische koppelaar werd de fabricage van de taper tip door middel van standaard 248nm diep UV lithografie mogelijk gemaakt door een DVS-BCB spacerlaag aan de koppelstructuur toe te voegen. Voor het diffractief rooster werd de haalbare koppelingsefficiëntie sterk verhoogd door een extra silicium laag te deponeren alvorens het rooster te etsen. Dit concept werd verder uitgebreid naar het gebruik van het rooster als een duplexer, waarbij twee golflengtebanden ruimtelijk gescheiden kunnen worden in twee verschillende golfgeleiders, waarvoor een patentaanvraag werd ingediend. 4. Componenten gebaseerd op DVS-BCB bonding In dit werk werden gebonde licht emitterende componenten gefabriceerd en gekarakteriseerd, zowel stand-alone componenten als componenten gekoppeld naar een onderliggend golfgeleidercircuit. Gebonde LEDs, gebonde Fabry-Perot laserdiodes en DFB laserdiodes werden gedemonstreerd, terwijl een geïntegreerde Fabry-Perot laserdiode gekoppeld werd naar een SOI golfgeleidercircuit. Het thermisch gedrag van deze componenten werd grondig bestudeerd, daar de lage thermische geleidbaarheid van de DVS-BCB bondinglaag een efficiënte warmteafvoer in de weg staat. Dit kan worden omzeild door een extra warmteafvoer te integreren bij de laserdiode. Een foto van een laserdiode geïntegreerd

6 6 CONTENTS Figuur 4: Koppelingsschema gebaseerd op een geïnverteerde adiabatische taperstructuur op en gekoppeld naar een SOI golfgeleidercircuit wordt getoond in figuur 5. Het InP/InGaAsP epitaxiaal materiaal gebond op het golfgeleidercircuit is duidelijk zichtbaar, evenals de laserdiode die erin gefabriceerd is en de eraan gekoppelde polymeergolfgeleider. De SOI adiabatische taperstructuur ligt begraven onder de polymeergolfgeleider en is niet zichtbaar. Laserwerking werd waargenomen in deze structuren en koppeling naar het onderliggende golfgeleidercircuit werd gedemonstreerd. Naast deze licht-emitterende componenten werden in dit werk ook III-V fotodetectoren geïntegreerd op een SOI golfgeleidercircuit. Behalve voor de integratie van passieve en actieve optische functies, kan het DVS-BCB transfer proces ook gebruikt worden om nieuwe types optische componenten te fabriceren, omwille van de mogelijkheid tot dubbelzijdige processing (of optische toegang). Dit leidde tot de demonstratie van thermisch bistabiele ringresonatoren bij laag optisch vermogen, hoog efficiënte roosterkoppelaars gebaseerd op een goud spiegel en de integratie van een SOI interconnectielaag bovenop een CMOS substraat.

7 CONTENTS 7 Figuur 5: Bovenaanzicht van de gefabriceerde laserdiodes gekoppeld naar een SOI golfgeleidercircuit