لیزرهای تراهرتز و آمپلی فایرهای پهن باند کارآمد بر مبنای محیط گین آبشاری کوانتومی – فصل 5

لیزرهای تراهرتز و آمپلی فایرهای پهن باند کارآمد بر مبنای محیط گین آبشاری کوانتومی – فصل 5  – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه برق – الکترونیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات رایگان

لیزرهای تراهرتز و آمپلی فایرهای پهن باند کارآمد بر مبنای محیط گین آبشاری کوانتومی

 کالج مهندسی برق و کامپیوتر، انستیتو فناوری ماساچوست

دانشگاه روچستر، ایالات متحده

2014

فصل 5

فصل 5

ساخت آمپلی فایرهای آبشاری کوانتومی تراهرتزی موج سیار در موجبرهای فلز ـ فلز

ساختارهای آبشاری کوانتومی با ضخامت 10 میکرومتر به وسیله اپی تکسی پرتوی مولکولی (MBE) بر روی سوبسترای فوقانی GaAs نیمه عایق با یک لایه توقف اچ / اچ استاپ (etch stop layer)  Al0.5Ga0.5As به ضخامت 2/0 میکرومتر در وسط آن به وسیله لابراتوارهای ملی سندی دکتر جان رنو ساخته شد. کلیه مراحل ساخت این فرآیند در لابراتوار فنی میکروسیستم MIT (MTL) انجام شد، به استثنای فرآیند سایش و پولیش (lapping and polishing ) که در لابراتوار Qing Hu اعمال گردید.

فرآیند ساخت آمپلی فایر موج سیار آبشاری کوانتومی (QC) فلز ـ فلز (MM) مشابه با لیزر MM QC می باشد که تا مرحله پیوند ویفر یکسان تلقی می شود. فرآیند کلی ساخت با جزئیات مربوطه با توجه به ویژگی های منحصر به فرد آمپلی فایر QC تشریح خواهد شد.

5ـ1. جریان کلی ساخت

ویفر محیط گین / بهره در ابتدا به اندازه صحیح در مسیر مناسب و درست کریستال برش داده می شود. پس از رسوب فلز یک لایه Ti/Au (100/3000 Å)،  ویفر تحت فرآیند پیوند ـ ویفری Au-Au، با یک سوبسترای گیرنده n⁺ GaAs  با اندازه نسبتاً بزرگتر، برای حاصل آوردن یک ویژگی متناسب، قرار می گیرد. توجه شود که Ti دارای عملکردی مشابه با یک لایه پیونده دهنده بین نیمه هادی و Au می باشد. برای فلز با سطح تنش بالاتر، به طور مثال Ni، یک ضریب ضخامت با توجه به لایه چسبندگی 10:1 پیشنهاد می شود. یک لایه نازک تقریباً 0.3 mm –  SiO₂ بر روی هر دو طرف ویفر پیوندی با استفاده از سیستم رسوب بخار شیمیایی ارتقاء یافته پلاسما (PECVD) تحت عنوان STS-CVD رسوب داده می شود. SiO₂ قابلیت محافظت از بخش پایینی سوبسترای گیرنده و جداره های کناری ویفر از فرآیندهای سایش مکانیکی و اچینگ مرطوب ناشی از ساختار شاخکی / شیپوری را خواهد داشت.

سوبسترای نیمه عایق و پولیش شده به ضخامت تقریباً 100 میکرومتر با زبری سطح < 1 mm و بدون خراش های مشهود حاصل خواهد شد. آنتن شاخکی / شیپوری (نشان داده شده در شکل 5ـ2) از طریق فوتولیتوگرافی تماسی با استفاده از فرآیند فوتورزیست (MicroChem Shipley 1813) از یک الگوی خاص برخوردار شده و متعاقباً به وسیله اچ مرطوب با استفاده از اچ شیمیایی،  و اسیدسیتریک:  (غلظت اسیدسیتریک 1 g/mL) تحت پردازش قرار می گیرد. زداینده پایه اسیدسیتریک که در حقیقت خود به عنوان یک زداینده گزینشی به شمار می آید قابلیت متوقف سازی فرایند به هنگام رسیدن به لایه Al_0.5Ga_0.5As را خواهد داشت. متعاقباً این لایه 2/0 میکرومتری با استفاده از یک رویه غوطه وری 10 ثانیه ای در زداینده HF حذف می شود، که خود سبب ایجاد یک شیار برجسته، همانگونه که در شکل 5ـ3 (الف) نشان داده شده است، نزدیک انتهای ساختار شاخکی می شود.

5ـ2. فرآیند سایش و پولیش مکانیکی

فرآیند سایش و پولیش مکانیکی به عنوان پروسه ای جهت حذف مواد با استفاده از ذرات سایشی مورد استفاده قرار می گیرد که می توان آن را در قالب مواد سایشی آزاد یا ثابت آنها را در نظر گرفت. مواد سایشی آزاد را می توان با استفاده از یک پارچه به منظور پولیش یک سطح ظریف مورد استفاده قرار داد، در حالی که مواد سایشی ثابت به آن دسته از کاغذهای سمباده یا لایه های مربوطه اشاره دارند که مواد سایشی آن متصل به یک سری از مواد ثابت دیگر نظیر آلومینا (A1₂ O₃)، سیلیکون کاربید (SiC)، الماس و یا مواد دیگر می باشند. سختی، شکل و کاربرد آنها در جدول 5ـ1 نشان داده شده است [56]. مواد سایشی آزاد با قابلیت پولیش و با استفاده از ذرات ظریف آلومینا برابر با تقریباً 3/0 میکرومتر ممکن است سبب برجای گذاشتن یک لایه پسیویشن نامشخص بر روی سطح شده و ممکن است دارای نرخ حذف اندکی نیز باشند. کلیه فرایندهای سایشی و پولیش مکانیکی با استفاده از کاغذ SiC و لایه های سایشی آلومینا انجام می شوند.

5ـ2ـ1. منابع خراشیدگی

خراش ها به صورت پیوسته ای پس از سایش لایه آلومینای 3 میکرومتری پدیدار گردیده و نمی توان آن را با استفاده از فیلم های آلومینای نازک تر برطرف نمود این خراشیدگی ها یا شیارها ممکن است در موقعیت های تصادفی قرار گرفته باشند یا آنکه از توزیعی یکنواخت بر روی سطح برخوردار باشند، همانگونه که در شکل 5ـ5 نشان داده شده است. مورد آخری مشخص کننده این موضوع می باشد که منبع خراشیدگی به واسطه گیرافتادگی ذرات بر روی لایه های سایشی می باشد.

5ـ2ـ2. شستشوی فراصوتی

فرآیند شستشوی فراصوتی به طور قابل توجهی سبب ارتقای سطوح بدون خراش می شود. با این وجود، ممکن است در طی انجام فرایند شستشوی شدید (به مدت 20 ثانیه و با توجه به کاربرد این فرآیند در 40 KHz و توان میانگین 140 W / گالن) سطح مشترک فلز ـ نیمه رسانا شکسته شود، موردی که در شکل 5ـ6 نشان داده شده است. در فرآیند شستشوی اولتراسونیک از حباب های کاویتاسیون، بوجود آمده بواسطه موج های فرکانس بالا جهت تحریک / مخلوط محلول مورد نظر و جداسازی ذرات ظریف از سطح،  استفاده  می شود. در صورتی که این نوع از حباب های کاویتاسیون در نزدیک سطح از داخل منفجر شده و سبب ایجاد یک موج شوک گردد، سطح صدمه خواهد دید [57].

مدل اولتراسونیک CP230D قابلیت فراهم آوردن کنترل های دمایی و میانگین توان صوتی به اندکی 4 W در یک تانک به ظرفیت 75/0- گالن را خواهد داشت. بین لایه های سایشی مختلف، این نمونه در آب در یک بشر پلاستیکی غوطه ور شده و فرآیند شستشوی اولتراسونیک برای 20 ثانیه با سطح توان 2 اعمال می شود. با توجه به این فرآیند هیچ گونه صدمه دیدگی نیز در کار نخواهد بود.

5ـ2ـ3. پولیش شیمیایی ـ مکانیکی

یکی از راه های جایگزین جهت تولید سطح پولیش شده بدون خراش یا شیار به غیر از انجام فرآیند سایشی و پولیش استفاده از راهکاری تحت عنوان پولیش شیمیایی ـ مکانیکی (CMP) می باشد.

در این زمینه از کاربرد یک راه حل شایع برای CMP – GaAs، دی برومین (Br₂) ـ متانول (MeOH)، به واسطه مشکلاتی نظیر سطح صیقلی ضعیف آن [58]، تجزیه در خلال زمان [59] و وجود بخارهای برومین سمی اجتناب می شود. از طرف دیگر، نشان داده شده است که هیدروژن پروکسید (H₂O₂) ـ آمونیوم هیدروکسید (NH₄OH) قابلیت حاصل آوردن سطح صیقلی نانومتری در pH 6-8.5 را خواهند داشت [60].

5ـ3. شستشوی اچ مرطوب

روش شستشو با استفاده از اچ مرطوب به عنوان یک مؤلفه مهم بین فرآیند سایش مکانیکی (یا CMP) و اچ مرطوب ساختار شاخکی به شمار می آید. بدون این مرحله، یک لایه نازکتر GaAs (به ضخامت < 1 mm) به صورت ناهموار اچ می شود، که بر روی بخش فوقانی ساختار شاخکی نشان داده شده در شکل 5ـ8 هویدا است. لبه زیگزاگی این لایه به سمت وجه کناری و کل ساختار شاخکی تداوم می یابد.

یک فرآیند کامل شستشوی فراصوتی با سه محلول دقیقاً پس از سایش مکانیکی (یا CMP) جهت زدایش موم اضافه یا گرد و غبارهای سطحی اعمال می شود. با این وجود، این لایه متشکل از مواد GaAs بی ریخت همچنان به صورت متوالی مشاهده می شود، که خود مؤکد این موضوع است که چنین موردی را می توان به عنوان یک لایه سطحی صدمه دیده نازک پس از انجام فرآیند سایش در نظر گرفت.

5ـ4. تشکیل شاخک

پس از سایش مکانیکی (CMP) یا فرآیند شستشوی پیرانا، یک سوبسترای نیمه عایق را می بایست با استفاده از مواد مقاوم در برابر نور از طریق فوتولیتوگرافی تماسی و اچ مرطوب به منظور شکل دهی ساختار شاخکی الگوسازی نمود. از آنجایی که ساختار شاخکی دارای بلندی در حدود 100 میکرومتر است، لازم است تا قابلیت استفاده از مواد فوتومقاوم با ویژگی چسبندگی خوب به عنوان یک پوشش یا ماسک در طی فرآیند حک مرطوب را داشته باشیم و به علاوه با کاربرد زداینده های اسیدی می توان نسبت به تولید میزان اچ منطقی و پروفایل جداره ای مناسب با خوردگی اندک اقدام کرد.

دو ماده فوتومقاوم مثبت در این زمینه ارائه شده اند. در ابتدا ویژگی فوتومقاوم مثبت با ضخامت 10 میکرومتری AZ 4620 برای پوشش کلیه خراش ها و زبری های سطح در نظر گرفته شده است. با این وجود، تنش های دارای حرارت بالا برای این نوع از فرایند در نظر بوده که خود سبب ایجاد  ترک  خوردگی هایی در صورت بروز هر گونه  نقص  سطحی  می شود. ایجاد ترک خود منجر به پوسته شدگی فرآیند اچ مرطوب می گردد. در این زمینه استفاده از ماده فوتومقاوم مثبت شیپلی / Shipley 1813 (تقریباً به ضخامت 4/1 میکرومتر) که از چسبندگی مناسبی در طی فرآیند حکاکی مرطوب برخوردار می باشد از جمله مؤلفه های مطلوب در نظر گرفته می شود، اما در عین حال این فرآیند خود نیازمند یک سطح صاف با زبری و خراشیدگی کمتر از 1 میکرومتر می باشد.

ضمیمه الف

پارامترهای طراحی

پارامترهای طراحی برای حل کننده مود جزء محدود دو بعدی در برنامه COMSOL به شرح ذیل می باشند:

ضمیمه ب

شرایط مرزی برای شبیه سازی های جزء محدود

از آنجایی که مدل سازی فضای محدود یا مرز باز در شبیه سازی های جزء محدود ناممکن است، انتخاب نوع مناسب شرایط مرزی جذب جهت اجتناب از  بازتاب  ناخواسته  مهم  می باشد. مدول فرکانس رادیویی (RF) برنامه COMSOL فراهم آورنده یک حوزه جذب، لایه های کاملاً منطبق (PMLs) و دو شرط کرانه جذب، شرط کرانه پراکندگی و شرط کرانه پورت می باشد [65].

1. شرط کرانه مرزی پراکندگی، یک شرط مرزی پراکندگی مرتبه اول برای یک موج مسطح، یک موج استوانه ای یا یک موج کروی شکل. از آنجایی که تابش از یک موجبر پلاسمون سطحی نیمه عایق غالباً به واسطه ویژگی فضایی گسترده پروفایل آن به صورت موج مسطح می باشد، شرط مرزی پراکندگی جهت جذب تابش بیرونی از موجبر کفایت خواهد داشت. لبه های یک جعبه هوایی که در فاصله چندین طول موجی از موجبر هستند را می توان با شرایط مرزی پراکندگی تعریف نمود.

2. شرط مرزی پورت، یک شرط جذب کامل برای مودهای ویژه شناخته شده پروفایل های مود و ثابت های انتشار محاسبه شده با استفاده از حل کننده مود ویژه. یک مرز فیزیکی را می توان با چندین شرط مرز پورت جهت ارائه ترکیب خطی از چندین متعامد متناظر تعریف نمود.

شرط مرزی پورت عمدتاً در محاسبات پارامتر پراکندگی  (پارامتر S)  بکار  گرفته  می شوند.  حداقل  یک  مرز  فیزیکی   موجبر   با توجه به شرط مرزی  پورت  تعریف  می گردد. به هنگامی که پورت i دارای تحریک موج می باشد، Sji به عنوان پارامتر ـ S برای موج انتقالی به شمار آمده و Sii نیز به عنوان پارامتر ـ S برای موج بازتابی در نظر گرفته می شود.

ضمیمه ج

فلوی ساخت

ج ـ 1. لیزر THz DFB با آنتن میکرواستریپ

مواد آغازین:

1. ویفر GaAs با MBE با قابلیت رشد ساختار غیرمتجانس از کتابخانه های ملی سندیا.

2. ویفرهای Bare 3″ n⁺ GaAs (ویفرهای گیرنده گرما ـ تراکمی) از AXT.

نگاه کلی:

بخش 1. پیوند گرما تراکمی

بخش 2. فرایند سایش و حذف سوبسترا

بخش 3. تعریف سیلیکون دی اکسید

بخش 4. تعریف فلز فوقانی

بخش 5. تعریف مسا

بخش 6. پل هوایی

بخش 7. متالیزاسیون پشتی

بخش 1. پیوند گرما تراکمی

ج ـ 2. آمپلی فایر THz QC با استفاده از موجبرهای MM با آنتن شاخکی

مواد آغازین:

1. رشد MBE با رشد ساختارهای نامتجانس بر روی سوبسترای GaAs نیمه عایق از سوی لابراتوارهای ملی سندیا).

2. ویفرهای Bare 3″ n+ GaAs سه اینچی (ویفرهای گیرنده گرما تراکمی) از AXT

نگاه کلی:

بخش 1. پیوند گرما تراکمی

بخش 2. سایش و پولیش سوبسترا

بخش 3. تعریف شاخک

بخش 4. تعریف فلز فوقانی

بخش 5. تعریف مسا

بخش 6. آبکاری پشتی

راهکارهای ساخت از بخش 1، 5 و همچنین 6 مشابه با موارد ساخت لیزر THz QC با استفاده از موجبرهای MM می باشد. به ضمیمه الف رجوع شود.

بخش 2. سایش و پولیش سوبسترا

ج ـ 2ـ1. پارامترهای تجربی برای فرآیندهای سایشی

مدل ماشین سایشی 920

مدل دستگاه سایشی 155

سرعت: سرعت ایستگاه کاری تقریباً برابر با 1ـ2 و چرخ سایشی تقریباً 1

وزن بار: 200 گرم سیلندر فولادی

وزن بخش مرکزی دستگاه سایشی: 560 گرم

فشار کلی بر روی نمونه: تقریباً 360 g/cm²

شستشوی اولتراسونیک: مدل Crestsonic 275D:، سطح توان 2 برای تقریباً 20 ثانیه

ضمیمه د

ماسک های فوتولیتوگرافی

لیزرهای DFB با آنتن میکرواستریپ با استفاده از خط اکسیژن اتمی 06/2 تراهرتز. این ابزاره ها با محیط بهره یا رسانه بهره FL175-M3 (ویفر EA1222)، با توجه به طراحی فونون رزونانت تولید می شوند.

ابزاره ها در ارتباط با تناوب توری (از 65 الی 82 میکرومتر) متغیر می باشند و در عین حال دارای پارامترهای فیزیکی دیگری در همان ستون هستند. اولین چهار ستون شامل فرکانس از 86/1 الی 25/2 تراهرتز با 10 گیگاهرتز مؤلفه افزایشی می باشد. ستون آخری پوشش دهنده فرکانس از 94/1 الی 08/2 تراهرتز با افزایش 10 گیگاهرتزی است. ابزاره های ستون های مختلف از نقطه نظر طول آنتن (20 و 21 میکرومتر) و پهنای لبه (5/19 و 20 میکرومتر) به منظور تنظیم آستانه لیزینگ و فرکانس متغیر می باشند. درازای ماسک برابر با 5/1 سانتیمتر در مسیر عمودی (در امتداد لبه) ضربدر 25/1 سانتیمتر در امتداد مسیر افقی می باشد. این سیستم دارای سه لایه می باشد. لایه اول برای الگوسازی SiO₂، لایه عایق مدنظر می باشد. لایه دوم برای الگوسازی فلز فوقانی، همراه با اچ مسا با استفاده از ICP-RIE بکار گرفته می شود. لایه آخری نیز برای ایجاد ساختارهای پل هوایی با استفاده از ضخامت مربوط به فوتورزیست بکار گرفته می شود.