Οπτικοηλεκτρονικά κυκλώματα υψηλής πυκνότητας ολοκλήρωσης για υψίρυθμα φωτονικά μικροσυστήματα

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 lll-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 SiO₂/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 lll-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.

Η τεχνολογία της υψηλής πυκνότητας υβριδικής ολοκλήρωσης οπτικοηλεκτρονικών III-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 SiO₂ 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.