автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Разработка методов построения и моделирования интегральных систем оптической коммутации многоядерных УБИС

4852927

ДЕНИСЕНКО Марк Анатольевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СИСТЕМ ОПТИЧЕСКОЙ КОММУТАЦИИ МНОГОЯДЕРНЫХ УБИС

Специальность: 05.27.01 -твердотельная электроника, радиоэлектронные

компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы нг * ■»

квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

<1 5 СЕН 2011

Таганрог-2011

4852927

Работа выполнена .на кафедре конструирования электронных средств Технологического института ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент Рындин Евгений Адальбертович (Учреждение Российской академии наук Южный научный центр РАН, г. Ростов-на-Дону).

доктор физико-математических наук, профессор Серба Павел Викторович (Технологический институт ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет» в г. Таганроге, г. Таганрог)

Ведущая организация:

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Толстолуцкий Сергей Иванович (ФГУП Ростовский научно-исследовательский институт радиосвязи, г. Ростов-на-Дону)

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МИЭТ» (г. Москва)

Защита диссертации состоится « 3>Р » сентября 2011 г. в 14 ч. 20 мин. на заседании диссертационного совета Д212.208.23 при Южном федеральном университете по адресу: 347922, г.Таганрог Ростовской области, ул. Шевченко, 2, Е-306.

С диссертацией можно ознакомиться в зональной библиотеке Южного федерального университета.

Автореферат разослан «29» ¿^г и г.тл 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

И .Б. Старченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

На текущем этапе развития технологических процессов изготовления ультрабольших интегральных схем (УБИС), методов и средств их проектирования, увеличение производительности УБИС обеспечивается не только за счет уменьшения размеров транзисторов и повышения тактовой частоты, а в значительной степени благодаря наращиванию числа ядер подобных интегральных систем.

Одной из основных проблем увеличения числа ядер на кристаллах УБИС, является недостаточно высокая эффективность применяющихся межъядерных соединений. Металлические проводящие линии перестают удовлетворять растущим требованиям, в частности, по быстродействию и помехозащищенности.

Данная проблема может быть решена за счет применения интегральных оптических линий, которые, по результатам исследователей IBM, позволят повысить пропускную способность внутричиповых соединений примерно в 100 раз при одновременном десятикратном снижении энергопотребления.

Учитывая масштабность современных исследований, направленных на создание надежных и эффективных систем оптической коммутации ядер в многоядерных УБИС, и высокие требования к их быстродействию, разработка методов построения быстродействующих интегральных систем оптической коммутации является актуальной проблемой.

Диссертационная работа посвящена разработке методов построения, моделей, методик моделирования и элементной базы интегральных систем оптической коммутации многоядерных УБИС на основе полупроводниковых наноразмерных гетероструктур с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда с целью решения проблемы увеличения быстродействия, снижения энергопотребления и повышения степени интеграции УБИС.

Состояние вопроса

Высокие темпы развития технологических процессов наноэлектроники, обусловленные появлением принципиально нового нанотехнологического оборудования, позволяют создавать полупроводниковые наноструктуры, содержащие области с квантоворазмерными эффектами (квантовые ямы, квантовые провода и квантовые точки), определяющие возможности достижения уникальных характеристик элементной базы наноэлектроники, и прежде всего сверхвысокого быстродействия.

Одним из важных и перспективных направлений наноэлектроники является интегральная оптоэлектроника, предполагающая замену электрических сигналов оптическими и, таким образом, позволяющая решить ряд проблем, связанных с созданием сверхбыстродействующих интегральных устройств на основе наноразмерной элементной базы, в частности проблему

сокращения задержек сигналов в соединительных линиях. Основной принцип оптоэлектроники состоит в модуляции стимулированного излучения, генерируемого лазерными элементами, с последующим преобразованием модулированных оптических сигналов в соответствующие электрические импульсы.

В настоящее время в оптоэлектронике активно применяются материалы на основе многокомпонентных соединений АШВУ и A"BVI, в связи с чем возникает ряд проблем по обеспечению высокой степени интеграции при производстве полупроводниковых приборов, которые, в большинстве своем, выполнены с использованием кремниевых технологий.

Помимо ключевых технологий, определяющих функциональные характеристики и качество перспективной оптоэлектронной продукции, для успешной реализации массовой технологии указанных выше систем необходимо развитие целого ряда базовых технологий и главным образом технологии создания новых типов высокоэффективных полупроводниковых материалов и структур на их основе, включая квантово-размерные структуры (структуры с квантовыми ямами, квантовыми нитями и квантовыми точками). Отличительной чертой оптоэлектроники как научно-технического направления является разнообразие используемых материалов, при этом в ближайшей перспективе данная тенденция сохранится.

По данным компании IBM, развитие и снижение стоимости, в пересчете на один компонент, технологии производства, а также внедрение опгоэлектронных систем коммутации ядер в многоядерных УБИС в область высокопроизводительных вычислений, позволит не только увеличить степень интеграции компонентов на кристалле, но и повлияет в значительной степени на переориентацию рынка высоких технологий.

Таким образом, актуальна разработка новых методов построения таких опгоэлектронных систем, конструкций, моделей, методик моделирования и технологических маршрутов изготовления интегральных элементов, ориентированных на современный уровень развития полупроводниковой микро- и нанотехнологии, с целью дальнейшего увеличения быстродействия, снижения энергопотребления и повышения степени интеграции ИС.

Цель работы

Целью диссертационной работы является разработка методов

построения, моделей, методик моделирования и элементной базы интегральных систем оптической коммутации многоядерных УБИС на основе полупроводниковых наноразмерных гетероструктур с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда

для решения проблем увеличения быстродействия, снижения энергопотребления и повышения степени интеграции УБИС.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

разработка метода построения модулируемых источников оптического излучения на основе принципов управляемой электрическим полем передислокации максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в квантовых областях;

анализ методов построения, конструкций и технологических маршрутов изготовления быстродействующих интегральных фотоприемников; анализ методов построения и технологических маршрутов изготовления быстродействующих интегральных оптических линий связи; разработка метода построения интегральных систем оптической коммутации на основе быстродействующих модулируемых источников оптического излучения с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в квантовых областях; разработка модели, методики и средств моделирования модулируемых источников оптического излучения с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в квантовых областях.

Научная новизна:

разработан метод построения модулируемых источников оптического излучения на основе управляемой электрическим полем передислокации максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в квантовых областях;

разработан метод построения интегральных систем оптической коммутации на основе быстродействующих модулируемых источников оптического излучения с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в квантовых областях; разработаны модели и методика моделирования модулируемых источников оптического излучения с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в квантовых областях.

Практическая значимость:

на основе предложенного метода построения модулируемых источников оптического излучения с управляемой электрическим полем передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в квантовых областях разработана и защищена патентом Российской Федерации конструкция интегрального инжекционного гетеропереходного лазера с функционально интегрированным модулятором, обеспечивающая максимальные частоты амплитудной модуляции стимулированного излучения более 1 ТГц; на основе разработанных моделей и методики моделирования разработаны программные средства численного моделирования интегральных источников-модуляторов оптического излучения с

управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда, позволяющие произвести количественную оценку параметров структуры лазеров-модуляторов, могут найти применение в соответствующих системах автоматизированного проектирования УБИС;

- разработан технологический маршрут изготовления интегральных инжекционных лазеров с функционально интегрированными амплитудными модуляторами на основе управляемой передислокации максимума амплитуды волновых функций носителей заряда;

- разработан технологический маршрут изготовления интегральных систем оптической коммутации на основе полупроводниковых материалов группы А В для кремниевых многоядерных УБИС, предполагающий использование стандартных технологических операций арсенид-галлиевой технологии реализации лазерных наноструктур.

Внедрение и практическое использование результатов работы

Результаты диссертационной работы использованы в научных исследованиях и разработках Научно-образовательного центра «Нанотехнологии» Южного федерального университета (1 акт внедрения), ООО «Центр нанотехнологий» (2 акта внедрения), Южного научного центра РАН (1 акт внедрения), использованы в НИР, выполненных по заданиям Министерства образования и науки РФ, а также внедрены в учебный процесс подготовки студентов Технологического института ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет» в г. Таганроге (9 актов внедрения).

Апробация результатов работы

Основные результаты работы обсуждались и были одобрены на следующих научных конференциях:

- International Conferences "Micro- and nanoelectronics" (Moskow -Zvenigorod, 2009);

- студенческая конференция "Наноэлектроника и молекулярная электроника" 2008;

- международная научная конференция "Инновации в обществе, технике и культуре" (Инновации ОТК - 2008). - Таганрог, 2008;

- международная научная конференция "Опто-, нано-электроника, нанотехнологии и микросистемы". - Ульяновск: УлГУ, 2009;

- всероссийская научно-техническая школа-конференция "Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения" (Intermatic). - Москва, 2009,2010;

- всероссийская молодежная конференция и школа-семинар "НАнотехнологии и инНОвации" (НАНО-2009). - Таганрог, 2009;

- международная научно-техническая конференция «Нанотехнологии -2010». - Дивноморское-Таганрог, 2010;

- международная научно-техническая конференция и молодежная школа-семинар «Нанотехнологии — Таганрог, 2010;

- научная конференцая студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (КРЭС) - Таганрог, 2010. Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

- метод построения и конструкции модулируемых источников оптического излучения на основе управляемой передислокации максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в квантовых областях;

- метод построения интегральных систем оптической коммутации на основе быстродействующих модулируемых источников оптического излучения с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в квантовых областях;

- модели и методика моделирования модулируемых источников оптического излучения с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в квантовых областях.

Публикации

По теме исследований опубликованы 14 печатных работ, в том числе 3 научных статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен 1 патент РФ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами и заключения, а также списка литературы и приложений. Работа изложена на 229 страницах машинописного текста и содержит список литературы на 9 страницах, 160 рисунков, 1 таблицу.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, определены методы исследования, выделены научная новизна и практическая значимость, основные защищаемые положения, приведены сведения об апробации работы и другие общие характеристики работы.

В первой главе проведены анализ и систематизация методов построения систем коммутации многоядерных УБИС.

На текущем этапе развития технологических процессов изготовления УБИС, методов и средств их проектирования, увеличение производительности УБИС обеспечивается не только за счет уменьшения размеров транзисторов и повышения тактовой частоты, а в значительной степени благодаря наращиванию числа ядер подобных интегральных систем, что делает их оптимальными для парачлельных вычислений. Это связано с тем, что современные технологии вплотную приблизились к минимально допустимым, с точки зрения физики, технологическим нормам производства, и дальнейшее уменьшение размеров активных элементов на кристалле приводит к

проблемам, связанным с необходимостью учета возрастающей роли квантовых явлений в них.

Одной из основных проблем увеличения числа ядер на кристаллах УБИС, является недостаточно высокая эффективность применяющихся межъядерных соединений. Металлические проводящие линии перестают удовлетворять растущим требованиям, в частности, по быстродействию и помехозащищенности

Показано, что существующие электронные методы межъядерной коммуникации принципиально неприменимы при увеличении числа ядер на порядки. Даже в процессорах с числом ядер от шести до восьми коммутационные схемы уже занимают существенную часть площади, и, следовательно, на них приходится заметная доля потребляемой энергии. При увеличении числа ядер пропорция увеличится в пользу соединений.

Показано, что использование систем межъядерной коммутации на основе медных соединений ограничивается наличием предела скорости передачи по меди величиной порядка 15-20 Гбит/с при частоте 14-15 ГГц. Дальнейшее увеличение полосы пропускания возможно только с переходом на интегральные системы оптической коммутации.

Проведен анализ проблем, препятствующих появлению высокоскоростных микросхем с оптоэлектронными компонентами, изготовленными из традиционных для кремниевых технологий материалов.

Основу элементной базы современных УБИС составляют кремниевые КМОП-элементы. В настоящее время в оптоэлектронике активно применяются материалы на основе многокомпонентных соединений А'"ВУ и А"ВУ1, в связи с чем возникает ряд проблем по реализации интегральных систем оптической коммутации многоядерных УБИС на кремниевых подложках.

Рассмотрены перспективы использования оптических линий связи для коммутации ядер многоядерных УБИС.

Вторая глава посвящена разработке методов построения быстродействующих систем оптической коммутации на основе функционально интегрированных лазеров-модуляторов, а также методов построения модулируемых источников оптического излучения на основе управляемой передислокации максимума амплитуды волновых функций носителей заряда.

Учитывая масштабность современных исследований, направленных на создание различных по назначению систем терагерцового диапазона, повышение максимальной частоты амплитудной модуляции излучения, генерируемого интегральными инжекционными лазерами, является актуальной проблемой.

Для создания сетевой инфраструктуры внутри кристалла может использоваться традиционная схема передачи данных. Она состоит из источника стимулированного излучения, модулятора, среды распространения сигнала, включающей средства управления (в данном случае коммутатора), и фотодетектора. Для реализации инфраструктуры, сочетающей

полупроводниковые ядра с фотонной коммутацией, необходимо создать четыре основных компонента:

- лазер, являющийся источником фотонов;

- модулятор для наложения данных, передаваемых в электронной форме из ядер, на поток фотонов;

- волноводы для доставки фотонов к местам назначения, и мультиплексоры или коммутаторы для объединения или разделения световых сигналов;

- демодулятор для обратного преобразования данных из фотонной в электронную форму, доступную для обработки процессором.

Рассмотрены основные проблемы, которые необходимо решить для создания эффективных систем оптической коммутации многоядерных УБИС:

- интегральные инжекционные лазеры, использующиеся в качестве источников стимулированного излучения в системах оптической коммутации, не могут быть изготовлены на основе кремния. Наиболее эффективные лазерные элементы получают на основе полупроводниковых материалов группы АШВУ;

- динамика амплитудной модуляции излучения посредством управления плотностью тока накачки лазера определяется переходными процессами в цепи питания лазера, инерционностью процессов накопления и рассасывания носителей заряда в его активной области, что ограничивает максимальную частоту модуляции (не более 40 ГГц);

- внешние амплитудные модуляторы также не обеспечивают терагерцовых частот модуляции и требуют использования материалов, не позволяющих изготавливать их в едином технологическом цикле с интегральными полупроводниковыми лазерными элементами и транзисторными структурами;

- кремниевые фотоприемники значительно уступают фотоприемникам на основе материалов группы А'"ВУ, в частности, обладают менее высокими показателями чувствительности и быстродействия;

- интегральные оптические линии связи необходимо выполнять в едином технологическом цикле с остальными компонентами системы оптической коммутации;

- учитывая, что современные УБИС изготавливаются на основе кремниевых технологий, необходимо обеспечить технологическую совместимость всех элементов систем оптической коммутации и кремниевых КМОП-структур.

С целью решения перечисленных проблем разработаны:

- метод построения быстродействующих инжекционных лазеров-модуляторов на основе управляемой передислокации максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в связанных квантовых

областях, обеспечивающих модуляцию стимулированного излучения в терагерцовом диапазоне частот;

- метод построения быстродействующих интегральных систем оптической коммутации многоядерных УБИС с использованием функционально-интегрированных лазеров-модуляторов.

Метод построения быстродействующих инжекционных лазеров-модуляторов на основе управляемой передислокации максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в связанных квантовых областях состоит в следующем:

- инжекционный лазер-модулятор представляет собой наноструктуру, в которой функционально интегрированы области вырожденного р-п-перехода и гетероструктура модулятора в виде системы квантовых областей с управляющими контактами;

- продольное электрическое поле создает, неизменный во времени, уровень инжекции носителей заряда, а поперечное поле управляющих контактов модулятора позволяет изменять интенсивность стимулированного излучения за счет управляемой передислокации максимума амплитуды волновых функций электронов и дырок в области инверсной заселенности;

- квантовая яма в зоне проводимости пространственно смещена относительно квантовой ямы в валентной зоне таким образом, что данные • квантовые области лишь частично пространственно перекрываются с целью обеспечения пространственного наложения максимумов амплитуды волновых функций электронов и дырок при одном направлении управляющего поля и, соответственно, их пространственного разделения при противоположном направлении управляющего поля;

- при неизменном во времени уровне инжекции электронов и дырок в активную область лазера, суммарное число носителей заряда в квантовых областях при изменении управляющего поля остается практически неизменным, в результате чего максимальная частота амплитудной модуляции лазерного луча определяется временем управляемой передислокации максимума амплитуды волновых функций электронов и дырок в квантовых областях зоны проводимости и валентной зоны (менее 0,2 пс).

Метод построения интегральных систем оптической коммутации многоядерных УБИС может быть кратко сформулирован следующим образом:

- модуляторы объединяются с инжекционными лазерами в единые функционально интегрированные наногетероструктуры с целью повышения максимальной частоты модуляции излучения и изготовления лазеров и модуляторов в едином технологическом цикле на основе полупроводниковых материалов группы АШВУ;

- фотодетекторы выполняются на основе полупроводниковых материалов группы АШВ с целью повышения их быстродействия, чувствительности и уменьшения шума по сравнению с кремниевыми, а также изготовления в едином технологическом цикле с источниками и модуляторами стимулированного излучения;

- оптические линии связи изготавливаются из материалов, технологически совместимых с материалами, формирующими структуры инжекционных лазеров, модуляторов и фотодетекторов, с целью повышения оптической эффективности и технологичности систем оптической коммутации;

- особенности архитектуры описываемой системы позволяют отказаться от дополнительных устройств коммутации, в результате чего повышается технологичность системы и уменьшаются потери в линиях связи. Обобщенная структурная схема предлагаемых интегральных систем

оптической коммутации приведена на рис. 1. В их состав входят инжекционные лазерные элементы с функционально интегрированными модуляторами (1) («лазерные триоды»), на управляющие входы которых поступают сигналы с отдельных ядер УБИС, интегральные линии оптической связи (2), а также быстродействующие фотоприемники (3),

Рис. 1. Обобщенная структурная схема интегральной системы оптической

коммутации в многоядерных УБИС: 1 - интегральный инжекционный лазер с функционально интегрированным модулятором излучения; 2 - линия оптической связи; 3 - фотоприемник

Конструктивно-технологические аспекты интеграции подобных систем состоят в применении набора методов получения на кремниевой подложке структур из материалов на основе ваЛв с целью формирования всех элементов, входящих в систему коммутации многоядерных - УБИС, в едином технологическом процессе. Этого можно достичь как непосредственно нанесением гетероэпитаксиальных пленок СаАз на кремний, так и методами выращивания СаАз на кремниевой подложке через буферный слой ваАзР.

В третьей главе приведены результаты разработки моделей, методик и средств моделирования модулируемых источников оптического излучения интегральных систем оптической коммутации с управляемой электрическим

полем передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в квантовых областях.

Традиционно динамику функционирования инжекционных лазеров описывают уравнениями кинетики, представляющими собой систему обыкновенных дифференциальных уравнений. Эта модель не позволяет учесть влияние пространственного распределения концентраций подвижных носителей заряда и фотонов в активной области лазера на интенсивность генерируемого стимулированного излучения.

Учет данного фактора может быть осуществлен в процессе численного решения фундаментальной системы уравнений (ФСУ) полупроводника в диффузионно-дрейфовом приближении, однако в этом случае не учитывается влияние фотонов лазерной моды на распределение концентраций подвижных носителей, скорость излучательной рекомбинации и, как следствие, на интенсивность генерируемого излучения.

Особенность структуры предложенного устройства состоит в том, что, в отличие от традиционных инжекционных лазеров, предусмотрены 2 дополнительных управляющих контакта, создающих в активной области лазера-модулятора поперечное управляющее поле.

Для решения задачи моделирования инжекционных лазеров-модуляторов в диссертации разработана комплексная модель, представляющая собой систему дифференциальных уравнений в частных производных и учитывающая влияние пространственного распределения концентраций электронов, дырок и фотонов в активной области лазера на интенсивность генерируемого стимулированного излучения. Разработанная модель в нормированном виде для двух пространственных измерений может быть записана следующим образом:

У(е-У<р) = п-р-N; (1)

~ = (- пУ(<р + К,) + V«)]- (Л - п0)(\ + а ■ /); (2)

^ = {рЧч> ~ Ун) + - (Р- Ро)(! + «•/); (3)

где е - диэлектрическая проницаемость полупроводника;

<р - электростатический потенциал;

п - концентрация электронов;

р - концентрация дырок;

I - время протекании процессов в активной области лазера;

N - эффективная концентрация примесей;

п0 - равновесная концентрация электронов;

Ро — равновесная концентрация дырок; / - плотность фотонов в лазерной моде; Ту - время жизни фотона в резонаторе; а - коэффициент оптического усиления;

Р - доля спонтанного излучения, попадающего в лазерную моду; V/, - гетероструктурный потенциал в области зоны проводимости; Уи ~ гетероструктурный потенциал в области валентной зоны; цп - подвижность электронов; )Лр — подвижность дырок.

Выражая систему (1) - (4) в частных производных для двух пространственных координатх, у, получим:

8х\ дх) ду

дп _ 8 дг ~ дх

д

дер ' ду

И А ~п(х,у,1)

= п(х,у,1)~ р(х,у,1)~ М(х,у).

д{(р + У„) дп

(5)

дх

дх

+ -

дх

I , + дп

дх дх

(6)

- (Ф, У> 0 - «о (*> у,ш\+а- Дх, у, /));

Зр=д_ 6г ~ дх

и А р(х,у,0

д{<р-Ун) , др

дх

ох

д_ дх

- (р(х, у,О-р0 (х, у, 0)(1 + а-Дх,у, г)); Ах,у,О

С1

- + (п(х, у, I) - Щ (х, у, 0)(а ■ Дх, У;0 + Д).

(7)

(8)

Граничные условия на металлических контактах и свободных поверхностях гетероструктуры в нормированном виде представлены следующим образом:

<р(х,у,1) = 1п

У„(х,у) + У11(х,у)

М{х,у) , (М{х,у)

+ ис{1)-иш, (х,у)еПс

(9)

<p(x,y,t) = -\a

N(x,y)

N(x,y)

\2

2 )

<p{x,y,i) = \n.

Vh{x,y) + VH{x,y)

N{x,y) , (N(x,y)

\2

+ e

<p(x,y, 0=-ln

+ t/c(í), (х,у)еОс

j + eVh(x,ybVH(x,y)

n(x,y,t) = p(x,y,t) =

Щх,у) , fMyOY

2.

N(x,y) | fAW)

\2

+ e

e

)

r.OwW.^ (x,y)eQ

(x, y) G Qc.

=--—

I 2 J '

f(x,y,t) = 0, (ij)eQc;

3ç>

Эи аи„

Sir,

= 0,

= 0, (ï^Éflj;

u.v.;)

= 0, (x,y)eCls;

U.v.»)

= 0, Men,,

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20) (21)

U.v,')

где /?х2 - нормаль к границе;

Ос - множество точек границ металлических контактов;

- множество точек границ свободной поверхности; (Ус - напряжение на металлическом контакте;

контактная разность потенциалов управляющего перехода Шоттки.

Начальные условия определяются соответствующей стационарной задачи:

по результатам решения

йг^ дх) ду 8

д<р

е

V ду/

= п(х,у)-р(х,у)-1\Г(х,у).

(22)

дх

Ип

ох дх

ох

ох <Эх

(23)

- (и(х, >■) - и0 (х, у))(1 + а • / (х, у)) = 0;

о дх

/Л, Р(х,у)

д{<р-¥н) , др

дх

дх

дх

дх дх

(24)

= 0;

- + (п(х, у) -щ{х, у))(а ■ Дх, у) + р) = 0.

(25)

-(Р(х,у)-р0(х,у))(1 + а-/(х,у))--Дх,у)

т/

В виду того, что предложенная модель не учитывает квантовых эффектов в активной области структуры лазера-модулятора, была разработана методика численного моделирования, предполагающая на одном из этапов оценку быстродействия моделируемого элемента посредством численного решения нестационарного уравнения Шредингера. Основные этапы предложенной методики моделирования могут быть сформулированы следующим образом:

- на начальных этапах решается нестационарное уравнение Шредингера с целью оценки быстродействия системы с учетом квантовых эффектов. Для получения начального условия выполняется самосогласованное решение стационарнох-о уравнения Шредингера и уравнения Пуассона;

- для получения начального приближения к решению разработанной комплексной модели выполняется численное решение ФСУ полупроводника в диффузионно-дрейфовом приближении в базисе «потенциал, экспоненты квазиуровней Ферми для электронов и дырок» методом конечных разностей с использованием итерационной схемы

Гуммеля в сочетании с методом продолжения решения по параметру (параметром является напряжение питания лазера);

- с использованием полученного начального приближения выполняется численное решение разработанной комплексной модели с учетом пространственного распределения концентраций электронов, дырок и фотонов методом Ньютона-Рафсона в сочетании с методом продолжения решения по параметру (параметром является управляющее напряжение);

- применение метода продолжения решения по параметру позволяет эффективно решить проблему начального приближения при моделировании режима высокого уровня инжекции, характерного для моделируемых лазеров-модуляторов, и повысить скорость сходимости вычислительного процесса.

На основе предложенных моделей и методики моделирования разработаны программные средства численного моделирования функционально интегрированных лазеров-модуляторов. Отдельные результаты численного моделирования представлены на рис. 2-9.

Рис. 2. Зонные диаграммы и квазиуровни Ферми лазера-модулятора в режиме лазерной генерации (а - «дно» зоны проводимости и квазиуровень Ферми для электронов; б - «потолок» валентной зоны и квазиуровень Ферми для дырок)

Рис. 3. Распределение концентрации электронов и дырок по координатам в

лазере-модуляторе в режиме лазерной генерации (а - распределение концентрации электронов по координатам; б - распределение концентрации дырок по координатам)

Рис. 4. Распределения концентрации фотонов по координатам в лазере-модуляторе в режиме лазерной генерации

х 10"

Рис. 5. Распределения слоевых концентраций электронов (сплошная линия) и дырок (пунктирная линия) по координате в активной области лазера-модулятора в режиме лазерной генерации

а б

Рис. 6. Зонные диаграммы и квазиуровни Ферми лазера-модулятора в отсутствие лазерной генерации (а - «дно» зоны проводимости и квазиуровень Ферми для электронов; б - «потолок» валентной зоны и квазиуровень Ферми

для дырок)

Рис. 7. Распределение концентрации электронов и дырок по координатам в

лазере-модуляторе в отсутствие лазерной генерации (а - распределение концентрации электронов по координатам; б - распределение концентрации дырок по координатам)

Рис. 8. Распределения концентрации фотонов по координатам в лазере-модуляторе в отсутствие лазерной генерации

х 101г

Рис. 9. Распределения слоевых концентраций электронов (сплошная линия) и дырок (пунктирная линия) по координате у в ак тивной области лазера-модулятора в отсутствие лазерной генерации

В соответствии с полученными результатами численного решения уравнений разработанной комплексной модели, управляемая поперечным электрическим полем передислокация максимумов плотности электронов и дырок в пространственно смещенных квантовых областях лазера-модулятора обеспечивает амплитудную модуляцию стимулированного излучения с коэффициентом, близким к 1, при неизменном токе по цепи питания лазера.

По результатам численного решения уравнения Шредингера показано, что время управляемой передислокации максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в квантовых областях составляет (0,09 - 0,13) пс в зависимости от ширины данных областей. Таким образом, максимальная частота амплитудной модуляции стимулированного излучения в рассматриваемых интегральных системах оптической коммутации может достигать единиц ТГц.

Четвертая глава посвящена разработке элементной базы интегральных систем оптической коммутации многоядерных УБИС, а именно разработке конструкций и технологических маршрутов изготовления модулируемых источников оптического излучения, разработке конструкций и технологических маршрутов изготовления быстродействующих систем оптической коммутации на основе функционально интегрированных лазеров-модуляторов.

Представлена структура интегрального инжекционного гетеропереходного лазера с функционально интегрированным модулятором с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда, разработанная в соответствии с предложенным методом построения (рис. 10).

У(М Спс!

Рис. 10. Структура инжекционного лазера с функционально интегрированным

модулятором

Предложенная наноструктура объединяет инжекционный лазер и модулятор и, фактически, представляет собой «лазерный триод», в отличие от традиционных лазерных диодов.

В данном лазере максимальная частота амплитудной модуляции определяется не инерционными процессами накопления и рассасывания носителей заряда в квантовых областях, как в традиционных лазерных элементах, а процессами передислокации максимума амплитуды волновых функций носителей в пределах пространственно смещенных квантовых областей, образованных гетеропереходами второго типа.

Раскрыт принцип работы лазера на основе анализа зонных диаграмм его активной области (рис. 11).

Рис. 11. Зонная диаграмма активной области инжекционного лазера-модулятора при противоположных направлениях управляющего поля (Ее - зона проводимости; Еу - валентная зона; Е,.р - квазиуровни Ферми для электронов и дырок соответственно) а — высокая интенсивность излучения; б - низкая интенсивность излучения

Важной отличительной особенностью предложенных лазеров-модуляторов является то, что высокая частота модуляции стимулированного излучения, соответствующая терагерцовому диапазону, достигается благодаря функционально интегрированной, изготавливаемой в едином технологическом цикле наноструктуре, что обеспечивает технологичность данных лазерных элементов, в том числе в интегральном исполнении.

В приложениях приводятся фрагменты кода программных средств моделирования систем оптической коммутации многоядерных УБИС, а также копии актов и справок о внедрении результатов диссертационной работы.

а

б

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

- разработан метод построения модулируемых источников оптического излучения на основе управляемой передислокации максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в квантовых областях;

- разработан метод построения интегральных систем оптической коммутации на основе быстродействующих модулируемых источников оптического излучения с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в квантовых областях;

- разработаны модели, методика и средства моделирования модулируемых источников оптического излучения с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в квантовых областях;

- разработан технологический маршрут изготовления модулируемых источников оптического излучения на основе управляемой передислокации максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в квантовых областях;

- разработан технологический маршрут изготовления интегральных систем оптической коммутации на основе быстродействующих модулируемых источников оптического излучения.

Публикации по диссертации

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1 Коноплев Б.Г., Рындин Е.А., Денисенко М.А. Интегральный инжекционный лазер с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда // Вестник южного научного центра РАН. Том 6, № 3, 2010. С. 5 - 11.

2 Коноплев Б.Г., Рындин Е.А., Денисенко М.А. Амплитудная модуляция лазерного излучения в интегральных системах оптической коммутации многоядерных УБИС // Известия ЮФУ. Технические науки, №1 (114) 2011. С. 92-97.

3 Коноплев Б.Г., Рындин Е.А., Денисенко М.А. Метод построения интегральных систем оптической коммутации многоядерных УБИС // Известия ЮФУ. Технические науки, №4 (117), 2011. С. 21 - 27.

Публикации в других гаданиях

4 Коноплев Б.Г., Денисенко М.А. Инжекционный лазер на основе квантовых областей // Сборник трудов студенческой конференции "Наноэлектроника и молекулярная электроника" 2008. С. 48.

5 Рындин Е.А., Денисенко М.А. Моделирование инжекционного лазера с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда // Сборник трудов международной научной конференции «Инновации в обществе, технике и культуре» (Инновации ОТК - 2008). -Таганрог, 2008. Часть 3, С. 66 - 69.

6 Рындин Е.А., Денисенко М.А. Моделирование инжекционного лазера на основе связанных квантовых областей // Сборник трудов международной научной конференции «Опто-, нано-электроника, нанотехнологии и микросистемы» . - Ульяновск: УлГУ, 2009. - С. 65.

7 Рындин Е.А., Денисенко М.А. Быстродействующий инжекционный лазер на основе связанных квантовых областей // Сборник трудов международной научной конференции «Опто-, нано-электроника, нанотехнологии и микросистемы». - Ульяновск: УлГУ, 2009. - С. 66.

8 Денисенко М.А. Интегральный инжекционный лазер с управляемой передислокацией волновых функций носителей заряда в квантовых областях // Сборник трудов I Всероссийской научнотехнической школы-конференции «фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (Intermatic - 2009). - Москва, 2009. - С. 68- 70.

9 Денисенко М.А. Быстродействующий инжекционный лазер с управляемой перередислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда // Сборник трудов Всероссийской молодежной конференции и школы-семинара "НАнотехнологии и инНОвации" (НАНО-2009). -Таганрог, 2009. - С.34 - 35.

10 Коноплев Б.Г., Рындин Е.А., Денисенко М.А. Integrated Injection Laser with Amplitude Modulation in Terahertz Band // Abstracts of International Conference "Micro- and nanoelectronics - 2009". Moscow - Zvenigorod, Russia, 2009. P. 01-28.

11 Коноплев Б.Г., Рындин E.A., Денисенко М.А. Быстродействующий инжекционный лазер для интегральных систем оптической коммутации многоядерных УБИС // Труды Международной научно-технической конференции «Нанотехнологии - 2010». - Дивноморское—Таганрог, 2010. Ч. 2. С. 43-45.

12 Коноплев Б.Г., Рындин Е.А., Денисенко М.А. Модулируемый источник оптического излучения интегральных систем оптической коммутации многоядерных УБИС // Труды IX Международной научно-технической школы-конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (Intermatic - 2010). - Москва, 2010. - С. 68 - 70.

13 Денисенко М.А. Интегральные системы оптической коммутации многоядерных УБИС // Труды X научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» КРЭС - 2010 С. 42.

Патенты и свидетельства о регистрации программ:

14 Коноплев Б.Г., Рындин Е.А., Денисенко М.А. Интегральный инжекционный лазер с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда. // Патент РФ 2400000. 2009.

В работах, опубликованных в соавторстве, лично автору принадлежат: в [1] - принципы построения, конструкции, модели и методики моделирования интегральных инжекционных лазеров с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда; в [2] — модели и методики моделирования интегральных источников когерентного излучения

для систем оптической коммутации ядер в многоядерных УБИС; в [3,13] -метод построения интегральных систем оптической коммутации многоядерных УБИС; в [4 - 6, 8 - 10,12] - модели и методика модеяиования инжекционного лазера с функционально интегрированным модулятором оптического излучения для систем оптической коммутации многоядерных УБИС; в [7,11] -конструкция, структура и принципы построения интегральных инжекционных лазеров с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ КОММУТАЦИИ МНОГОЯДЕРНЫХ УБИС .'.

1. Г. Анализ состояния и перспектив развития современной оптоэлектроники.

1.2. Анализ методов построения элементов быстродействующих систем оптической коммутации ядер многоядерных УБИС

1.3. Выводы

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ

СИСТЕМ ОПТИЧЕСКОЙ КОММУТАЦИИ.!.

2.1. Разработка методов построения модулируемых источников оптического излучения.

2.2. Разработка методов построения быстродействующих систем оптической коммутации на основе функционально интегрированных лазеров-модуляторов

2:3. Выводы.:.

3. РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ; МЕТОДОВ И СРЕДСТВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СИСТЕМ ОПТИЧЕСКОЙ коммутации .!.;.•.

3.1. Разработка моделей, методов и средств моделирования модулируемых источников оптического излучения.,

3.2. Анализ результатов численного моделирования быстродействующих модулируемых источников оптического излучения для интегральных систем оптической коммутации убис.;.:.иг

3.3. Выводы.

4. РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СИСТЕМ ОПТИЧЕСКОЙ КОММУТАЦИИ МНОГОЯДЕРНЫХ

4.1. Разработка конструкций и технологических маршрутов изготовления быстродействующих систем оптической коммутации на основе функционально интегрированных лазеров-модуляторов.

4.2. Выводы.

Нанотехнология в последние годы стала одной из наиболее важных областей знаний на переднем крае физики, химии, биологии, технических наук. Она имеет громадный потенциал для использования во множестве практических областей - от производства более прочных и, легких конструкционных материалов» до уменьшения времени доставки наноструктурированных лекарств в кровеносную систему, увеличения* емкости магнитных носителей- и создания триггеров для быстрых компьютеров. Междисциплинарные исследования охватили широкий круг тем - от химии-катализа наночастицами до физики лазеров на квантовых точках [1].

Нанотехнология стала рассматриваться не только как одна из наиболее многообещающих ветвей высокой технологии, но и как системообразующий' фактор экономики 21 века - экономики, основанной на знаниях, а не использовании природных ресурсов или их переработке. Помимо того, что нанотехнология стимулирует развитие новой парадигмы всей производственной деятельности («снизу-вверх» - от отдельных атомов - к изделию, а не «сверху-вниз», как традиционные технологии, в которых изделие получают путем отсечения, излишнего материала от более массивной заготовки), она сама является источником новых подходов к повышению качества жизни и решению многих социальных проблем в постиндустриальном обществе. По мнению большинства экспертов в области научно-технической политики и инвестирования средств, начавшаяся нанотехнологическая революция охватит все жизненно важные сферы деятельности человека (от освоения космоса - до медицины, от национальной безопасности - до экологии и сельского хозяйства), а ее последствия будут обширнее и глубже, чем последствия компьютерной революции последней трети 20 века. Все это ставит задачи и вопросы не только в научно-технической сфере, но и перед администраторами различного уровня, потенциальными инвесторами, сферой образования, органами государственного управления и т.д. [1].

Высокие темпы развития технологических процессов наноэлектроники, обусловленные появлением принципиально нового нанотехнологического оборудования, позволяют создавать полупроводниковые наноструктуры, содержащие области с квантоворазмерными эффектами (квантовые ямы, квантовые провода и квантовые точки), определяющие возможности достижения уникальных характеристик элементной базы наноэлектроники, и прежде всего сверхвысокого быстродействия [2].

Традиционно, одним из показателей, наглядно демонстрирующих развитие микро- и наноэлектроники, является изменение размеров- активных элементов, а также их числа на кристалле. В настоящее время технологические нормы современных микропроцессоров фирмы Intel, выпускающихся серийно, составляют 32 нм, а число элементов.на кристалле приближается к 10ю (рис. В.1) [3].

На текущем этапе развития технологических процессов изготовления УБИС, методов и средств их проектирования, увеличение производительности УБИС обеспечивается не только за счет уменьшения размеров транзисторов!и повышения- тактовой частоты, а в значительной степени благодаря наращиванию числа ядер подобных интегральных систем, что делает их оптимальными для параллельных вычислений. Это связано с тем, что современные технологии вплотную приблизились к минимально допустимым, с точки зрения физики, технологическим нормам производства, и дальнейшее уменьшение размеров активных элементов на кристалле приводит к проблемам, связанным с необходимостью учета возрастающей роли квантовых явлений в них (рис. В.2) [4, 5].

Рис. В.1. Темпы уменьшения проектных норм и характеристических размеров интегральных транзисторов по данным фирмы Intel [3]

1.Е+07 ■ 1.Е+06 1.Е+05 1.E-MW •

J.E-01

1970 г— 1975

1980

1985 г— 1990 i 1995

2000

2005 i 2010

Power is the root cause of all this

Transistors (in Thousands) ■ Frequency (MHz)

Power (W)

• Cores

A hardware issue just became a software l.E+Ol

1.E+00

Рис. В.2. Темпы изменения количества транзисторов на кристалле, тактовой частоты, потребляемой мощности и количества ядер в вычислительных системах по данным компании Intel [6]

Одной из основных проблем увеличения числа ядер на кристаллах УБИС, является недостаточно высокая эффективность применяющихся- межъядерных соединений. Металлические проводящие линии перестают удовлетворять растущим требованиям, в частности, по быстродействию и помехозащищенности [7].

Данная, проблема может быть решена за счет применения* интегральных оптических линий, которые, по результатам исследователей- IBM, позволят повысить- пропускную способность внутричиповых соединений« примерно в 100 раз при одновременном десятикратном снижении энергопотребления [7].

Интегральная оптоэлектроника в настоящее время является одним, из важных и перспективных направлений наноэлектроники (рис. В.З), предполагающая замену электрических сигналов оптическими и, таким образом, позволяющая решить ряд проблем, связанных с созданием сверхбыстродействующих интегральных устройств на основе наноразмерной элементной базы, в частности проблему сокращения задержек сигналов в соединительных линиях. Основной принцип оптоэлектроники состоит в модуляции стимулированного излучения, генерируемого лазерными элементами, с последующим преобразованием, модулированных оптических сигналов в соответствующие электрические импульсы [4].

Потребности современной техники передачи и обработки информации оптическими методами привели к разработке и созданию быстродействующих интегрально-оптических устройств различного назначения. Возможность передачи и обработки больших объемов информации определяет бурное развитие интегральной оптики в настоящее время [4, 5].

Учитывая масштабность современных исследований, направленных на создание надежных и эффективных систем оптической коммутации^ ядер в многоядерных УБИС, и высокие требования к их быстродействию, разработка методов построения быстродействующих интегральных систем оптической коммутации является актуальной проблемой [7]

Рынок полупроводниковых нанотехнологий opto electronics $17.вВ nano materials $0,5В

Magnetic hard drives $30B displays $0.7B nano medicine ~$1B

Source: LuxResearch

Рис. В.З. Состояние рынка полупроводниковых нанотехнологий по данным компании Intel на 2010 г. [6]

По данным компании IBM, развитие и снижение стоимости, в пересчете на один компонент, технологии производства, а также внедрение оптоэлектронных систем коммутации ядер в многоядерных УБИС в область высокопроизводительных вычислений, позволит не только увеличить степень интеграции компонентов на кристалле, но и повлияет в значительной степени на переориентацию рынка высоких технологий (рис. В.4) [8].

На рис. В.5 приведены данные прогноза состояния рынка оптоэлектроники на 2015 год [9].

Целью диссертационной работы является разработка методов построения, моделей, методик моделирования и элементной базы интегральных систем оптической коммутации многоядерных УБИС на основе полупроводниковых наноразмерных гетероструктур с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда с целью решения проблемы увеличения быстродействия, снижения энергопотребления и повышения степени интеграции УБИС.

При выполнении данной диссертационной работы получены следующие научные результаты:

- разработан метод построения модулируемых источников оптического излучения на основе управляемой передислокации максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в квантовых областях;

- произведен анализ методов построения; конструкций и технологических маршрутов изготовления быстродействующих интегральных фотоприемников;

- произведен анализ методов построения и технологических маршрутов изготовления быстродействующих интегральных оптических линий связи;

- разработан метод построения шггегральных систем оптической коммутации на основе быстродействующих модулируемых источников оптического излучения с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в квантовых областях;

- разработаны модели, методика и средства моделирования модулируемых источников оптического излучения с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в квантовых областях;

- разработана модель, методика и средства моделирования интегральных систем оптической коммутации многоядерных УБИС.

Основные результаты диссертации получены автором при выполнении научно-исследовательских работ в рамках госбюджетной тематики №№ 13060, 13059, а также в рамках научно-технических программ Министерства образования и науки РФ (госконтракт № 16.740.11.0425 от 03.12.2010 г., проект 2.1.2/10229).

Результаты диссертационной работы использованы в научных исследованиях и разработках Научно-образовательного центра «Нанотехнологии» Южного федерального университета (г. Таганрог), Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» (г.Москва), Южного научного центра РАН (г. Ростов-на-Дону), использованы в НИР, выполненных по заданиям Министерства образования и науки РФ^ а также внедрены в учебный процесс подготовки студентов Технологического института ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.

Основные результаты работы обсуждались и были одобрены на следующих научных конференциях:

- International Conferences "Micro- and nanoelectronics" (Moskow -Zvenigorod; 2009);

- студенческая конференция "Наноэлектроника и молекулярная электроника" 2008;

- международная научная конференция "Инновации в обществе, технике и культуре" (Инновации ОТК- 2008). - Таганрог, 2008;

- международная научная конференция "Опто-, нано-электроника, нанотехнологии и микросистемы". - Ульяновск: УлГУ, 2009;

- всероссийская научно-техническая школа-конференция "Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения" (Intermatic). - Москва, 2009, 2010;

- всероссийская молодежная конференция и школа-семинар "НАнотехнологии и инНОвации" (НАНО-2009). - Таганрог, 2009;

- международная научно-техническая конференция «Нанотехнологии -2010». - Дивноморское-Таганрог, 2010;

- международная научно-техническая конференция и молодежная школа-семинар «Нанотехнологии — Таганрог, 2010;

- научная конференцая студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (КРЭС) - Таганрог, 2010.

По теме исследований опубликованы 17 печатных работ, в том числе 3 научных статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен 1 патент РФ. Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

- метод построения и конструкции модулируемых источников оптического излучения на основе управляемой передислокации максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в квантовых областях;

- метод построения интегральных систем оптической коммутации на основе быстродействующих модулируемых источников оптического излучения с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в квантовых областях;

- модели и методика моделирования модулируемых источников оптического излучения с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в квантовых областях.

4.2. Выводы

В данной главе представлен разработанный технологический маршрут изготовления систем оптической коммутации многоядерных УБИС, представляющий последовательность лишь основных технологических этапов формирования функционально интегрированных интегральных элементов на основе материалов группы АШВУ на кремниевой подложке без детального описания таких технологических операций, как формирование управляющих переходов Шоттки и омических контактов, формирование буферного слоя при проведении молекулярно-лучевой эпитаксии и др., поскольку детальная разработка технологического процесса выходит за рамки задач, поставленных в диссертационной работе.

Основной особенностью данного технологического маршрута является использование самосовмещения и бокового травления на различных этапах с целью сокращения числа литографических операций и повышения выхода годных кристаллов.

Технологический маршрут предполагает использование стандартных технологических операций арсенид-галлиевой технологии реализации лазерных наноструктур.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена разработке методов построения, моделей, методик моделирования и элементной базы интегральных систем оптической коммутации многоядерных УБИС на основе полупроводниковых наноразмерных гетероструктур с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда с целью решения проблемы увеличения быстродействия, снижения энергопотребления и повышения степени интеграции УБИС.

Научная новизна диссертационной работы отражена в следующих основных результатах:

1) разработан метод построения модулируемых источников оптического излучения на основе управляемой электрическим полем передислокации максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в квантовых областях;

2) разработан метод построения интегральных систем оптической коммутации на основе быстродействующих модулируемых источников оптического излучения с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в квантовых областях;

3) разработаны модели и методика моделирования модулируемых источников оптического излучения с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в квантовых областях.

Практическая ценность исследований состоит в следующем:

1) на основе предложенного метода построения модулируемых источников оптического излучения с управляемой электрическим полем передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в квантовых областях разработана и защищена патентом

Российской Федерации конструкция интегрального инжекционного гетеропереходного лазера с функционально интегрированным модулятором, обеспечивающая максимальные частоты амплитудной модуляции стимулированного излучения более 1 ТГц;

2) на основе разработанных моделей и методики моделирования разработаны программные средства численного моделирования интегральных источников-модуляторов оптического излучения с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда, позволяющие произвести количественную оценку параметров структуры лазеров-модуляторов, могут найти применение в соответствующих системах автоматизированного проектирования УБИС;

3) разработан технологический маршрут изготовления интегральных -инжекционных лазеров с функционально интегрированными амплитудными модуляторами на основе управляемой передислокации максимума амплитуды волновых функций носителей заряда;

4) разработан технологический маршрут изготовления интегральных систем оптической коммутации на основе полупроводниковых материалов группы АШВУ для кремниевых многоядерных УБИС, предполагающий использование стандартных технологических операций арсенид-галлиевой технологии реализации лазерных наноструктур. Диссертационная работа выполнена на кафедре конструирования электронных средств Технологического института ФГОУ ВПО «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.

1. Пул Ч., Оуэне Ф. Нанотехнологии: Учеб. пособие для вузов -М.: Техносфера, 2004. 328 с.

2. Алферов Ж.И. Двойные гетероструктуры: концепция и применение в физике, электронике и технологии // Успехи физических наук. 2002. Т. 172. №9.-С. 1068-1086.

3. Robert Chau. Role of High-K Gate Dielectrics and Metal Gate Electrodes in Emerging Nanoelectronic Devices // Plenary talk, 14th Biennial Conference on Insulating Films on Semiconductors (INFOS 2005). 2005. Leuven, Belgium. -P. 1-25.

4. Малышев В.А. Основы квантовой электроники и лазерной техники. М.: Высшая школа, 2005. — 543 с.

5. R. Chau. Low-dimensional Systems and Nanostructures // Physica E. 2003. -Vol. 19, Issues 1-2,-P. 1.

6. Суетин H.B. Современное состояние и перспективы развития полупроводниковых технологий // Intel. 2010. С. 1 - 42.

7. Vlasov Y., Green W.M.J., Xia F. High-throughput silicon nanophotonic wavelength-insensitive switch for on-chip optical networks // Nature Photonics, -2008,-2,-P. 242-246.

8. Vlasov Y. Silicon photonics for next generation computing systems // Optical Communication. 34th European Conference (ECOC 2008). 2008. Brussels. P. 1-51.

9. Bergh A. Future opportunities in optoelectronics // 3rd CNS Annual Nanotechnology Simposium. 2006. Cornell University. P. 1-51.

10. Ермаков O.H. Прикладная оптоэлектроника M.: Техносфера, 2004. -416 с.

11. Etter M.D. Defense Science and Technology Strategy. Department of Defense USA, 2000.-P. 1-14.

12. Savage N. Optics Industry Report // Laser Focus World (USA). 1999. V. 35,1. N. 11, P. 119.

13. Кремниевая фотоника прогрессирует // Открытые системы, — 2004. № 003,-С 42-51.

14. Chiang С.С., Kawa J. Design for manufacturability and yield for nano-scale CMOS. Dordrecht: Springer, 2007. P. 277.

15. Pavesi L. Will silicon be the photonic material of the third millenium? // J. Phys.: Condens. Matter 15,2003. PI 169.

16. Rong H., Kuo Y., Liu A., Paniccia M.J., Cohen O. High efficiency wavelength conversion of 10 Gb/s data in silicon waveguides // Optics Express, Vol. 14, Issue 3. 2006.-PP. 1182-1188

17. Sysak M.N., Anthes J.O., Bowers J.E., Raday O., Jones R. Integration of hybrid silicon lasers and electroabsorption modulators // Optics Expresss, Vol. 16, Issue 17, 2008. PP. 12478-12486.

18. Park H., Fang A., Liang D., Kuo Y. H., Chang H. H., Koch B. R., Chen H. ,W., Sysak M. N., Jones R., Bowers J. E. Photonic Integration on the Hybrid Silicon Evanescent Device Platform // Advances in Optical Technologies, Vol. 14, 2008.-PP. 9203-9210.

19. Park H., Kuo Y.H., Fang A.W., Jones R., Cohen O., Pannicia M.J., Bowers J.E. A hybrid AlGalnAs-silicon evanescent preamplifier and photodetector // Optics Express, Vol. 15, No. 21, 2007-P. 104-112.

20. Fang A.W., Park H., Cohen O., Jones R., Paniccia M.J., Bowers J. Electrically pumped hybrid AlGalnAs-silicon evanescent laser // Optics Express, Vol. 14, Issue 20, 2006. PP. 9203-9210.

21. Филатов Д.О., Исаков M.A., Круглова M.B. Фотоэлектрические свойства наноструктур GeSi/Si: Учеб. пособие Н.Новгород: ИНГУ, 2010. - 118 с.

22. Kressel Н., Ettenberg М., Wittke J. P. et al. Laser Diodes and LEDs for Fiber Optical Communication//Berlin: Springer, 1986. P. 398.

23. Foell H., Christophersen M., Carstensen J. et al. Formation and application of porous silicon // Mat. Sci, Eng. R 39, 2002 P. 93.

24. Cullis A. G., Canham L. Т., Calcott P. D. J. The structural and luminescenceproperties of porous silicon // Appl. Phys. Lett. 82, 1997. P. 909.

25. Bisi O., Ossicini S., Pavesi L. Porous silicon: a quantum sponge structure for silicon based optoelectronics // Surf. Sci. R 138, 2000. P. 1.

26. Pavesi L., Panzarini G., Andreani L.C. All-porous silicon-coupled microcavities: Experiment versus theory // Phys. Rev. В 58, 15794, 1998. P. 132 -140.

27. Степихова M. В., Жигунов Д. M., Шенгуров В. Г. и др. Инверсная населенность уровней энергии ионов эрбия при передаче возбуждения от полупроводниковой матрицы в структурах на основе кремния/германия // Письма в ЖЭТФ 81, 2005. С. 614.

28. Кузнецов В. П., Ремизов Д. Ю., Шмагин В. Б. и др. Электролюминесценция ионов эрбия в кремниевых диодных структурах р*4" In /n-S^Er/n44". ФТП 41, 2007.-С. 1329.

29. Pavesi L., Turan R. Silicon Nanocrystals: Fundamentals, Synthesis and Applications // Dortmund: Wiley-VCH, 2010. P. 1 - 23.

30. Kveder V., Kittler M., Schroter W. Recombination activity of contaminated dislocations in silicon: A model describing electron-beam-induced current contrast behavior // Phys. Rev. В 63,115208, 2001. P. 28 - 37.

31. Binetti S., Pizzini S.,"Leoni E. Optical properties of oxygen precipitates and dislocations in silicon // J. Appl. Phys. 92, 2437, 2002. P. 101 - 109.

32. Nakamura M., Nagai S., Aoki Y. Oxygen participation in the formation of thephotoluminescence W center and the center's origin in ion-implanted silicon crystals // Appl. Phys. Lett. 72, 1347 1998. P. 214 - 222.

33. Kveder V., Badylevich M., Steinman E. Room-temperature silicon light-emitting diodes based on dislocation luminescence // Appl. Phys. Lett. 84, 2106. 2004. -P. 173-179.

34. Цырлин Г.Э., Петров B.H., Дубровский В.Г. Гетероэпитаксиальный рост InAs на Si: новый тип квантовых точек // ФТП 33, 1066. 1999. С. 19 -23.

35. Красильник З.Ф., Новиков А.В. Оптические свойства напряжённых гетероструктур на основе Sii.xGex и Siix.yGexCy // УФН 170, 338. 2000. С. 54-61.

36. Rong Н., Xu S., Cohen О., Raday О., Lee М., Sih V. Paniccia M.J. A Cascaded Silicon Raman Laser // Nature Photonics. 2008. PP. 170-174.

37. Rong H., Xu S., Kuo Y., Sih V., Cohen O., Raday O. Paniccia M.J. Low-threshold continuous-wave Raman silicon laser // Nature Photonics. 2007. PP. 232-237.

38. Rong H., Jones R, Liu A., Cohen O., Hak D., Fang A., Paniccia M.J. A Continuous-Wave Raman Silicon Laser // Nature. 2005. P. 80 - 88.

39. Rong H., Liu A., Jones R., Cohen O., Hak D., Nicolaescu R., Fang A., Paniccia M.J. An all-silicon Raman laser // Nature. 2005. P 105 - 109.

40. Коноплев Б.Г., Рындин E.A. Элементная база нанокомпьютеров на основе связанных квантовых областей // Вестник Южного научного центра РАН, 2005. Т. 1. № 3. С. 22-28.

41. Рындин Е.А. Сверхбыстродействующие электронные коммутаторы на основе управляемой передислокации максимума волновой функции носителей заряда // Вестник Южного научного центра РАН, 2006. Т. 2. № 2. С. 8-16.

42. Konoplev B.G., Ryndin Е.А. A Study of the Transport of Charge Carriers in Coupled Quantum Regions // Semiconductors, 2008. Vol. 42. № 13. P. 1462 -1468.

43. Алферов Ж.И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур //

44. Физика и техника полупроводников. 1998. Т. 32, №1. С. 3 — 18.

45. Алферов Ж.И., Леденцов Н.Н., Устинов В.М., Щукин В.А., Кольев П.С., Бимберг Д. Гетероструктуры с квантовыми точками: получение, свойства, лазеры. Обзор // Физика и техника полупроводников. 1998. Т. 32, №4. С. 385-410.

46. Тугов Н.М. Глебов Б.А.; Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы -М.: Энергоатомиздат, 1990. 576 с.

47. Звелто, О. Принципы лазеров. М.: Лань, 2008. - 720 с.

48. Коноплев, Б.Г. Исследование транспорта носителей заряда в связанных квантовых областях Текст. / Б.Г.Коноплев; Е.А.Рындин // Известия вузов. Электроника. 2008. - № 2. - С. 14 - 22.

49. Коноплев, Б.Г., Рындин Е.А. Интегральные логические элементы на основе туннельно-связанных наноструктур // Известия вузов. Электроника. 2006. -№3.-С. 18-26.

50. Рындин, Е.А. Интегральные комплементарные -элементы с управляемой передислокацией максимума волновой функции носителей заряда в квантовых областях // Проектирование и технология электронных средств. 2006.-№3.-С. 56-65.

51. Liao L., Liu A., Basak J., Nguyen H., Paniccia M. J., Chetrit Y., Rubin D. Silicon Photonic Modulator and Integration for High-Speed Applications // International

52. Electron Devices Meeting. 2008. P 164 175.

53. Liao L., Liu A., Rubin D., Basalt J., Chetrit Y., Nguyen H., Cohen R., Izhaky N. Paniccia M.J. 40 Gbit/s silicon optical modulator for highspeed applications // Electronics Letters, Vol. 43, No. 22. 2007. P 95 102.

54. Болховитянов Ю.Б., Пчеляков О.П. Эпитаксия GaAs на кремниевых подложках: современное состояние исследований и разработок //, Успехи физических наук. Т. 178, № 5. 2008. С. 459-480.

55. Kang Y., Morse М. Silicon Photonics Reinvents Avalanche Photodetectors // Laser Focus World, Vol. 45, Issue 10. 2009. PP. 35-37.

56. Park H., Fang A.W., Jones R., Cohen O., Raday O., Sysak M.N., Paniccia M.J., Bowers J.E. A hybrid AlGalnAs-silicon evanescent waveguide photodetector // Optics Express, Vol. 15, No. 10. 2007. P 117 124.

57. Коноплев Б.Г., Рындин E.A. Интегральная наноэлектроника на основе связанных квантовых областей. Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2008. -230 с.

58. Коноплев Б.Г., Рындин Е.А., Денисенко М.А. Интегральный инжекционный лазер с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда // Вестник Южного научного центра РАН. 2010. - Т. 6, № 3. - С. 5 - 11.

59. Абрамов И.И., Харитонов В.В.; под ред. А.Г. Шашкова. Численное моделирование элементов интегральных схем Минск.: Выш. шк., 1990. — 224 с.

60. Бубенников А.Н., Садовников А.Д. Физико-технологическое проектирование биполярных элементов кремниевых БИС. М.: Радио и связь, 1991.-288 с.

61. Бондаренко Д.В. Моделирование динамического поведения инжекционного лазера при проектировании оптических систем связи // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 1999. — № 5 — 6. С. 44-45.

62. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. —1. М.: Энергия, 1977. 672 с.

63. Ьюие К., Sakaki Н., Yoshino J., Hotta Т. Self-consistent calculation of electronic states in AlGaAs/GaAs/AlGaAs selectively doped double heterojunction systems under electric fields // J. Appl. Phys. 1985. - Vol. 58, No. 11.-P. 4277-4281.

64. Драгунов В.П., Неизвестный И.Г., Гридчин B.A. Основы наноэлектроники: Учеб. пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. - 496 с.

65. Коноплев Б.Г., Рындин Е.А., Денисенко М.А. Метод построения интегральных систем оптической коммутации многоядерных УБИС // Известия ЮФУ. Технические науки, №4 (117), 2011. С. 21 - 27.

66. Коноплев Б.Г., Рындин Е.А., Денисенко М.А. Амплитудная модуляция лазерного излучения в интегральных системах оптической коммутации многоядерных УБИС // Известия ЮФУ. Технические науки, №1 (114), 2011.-С. 92-97.

67. Рындин Е.А., Денисенко М.А. Моделирование инжекционного лазера на основе связанных квантовых областей // Сборник трудов международной научной конференции «Опто-, нано-злектроника, нанотехнологии и микросистемы» . Ульяновск: УлГУ, 2009. — С. 65.

68. Коноплев Б.Г., Рындин Е.А., Денисенко М.А. Интегральныйинжекционный лазер с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда. // Патент РФ 2400000, 2009.

69. Коноплев Б.Г., Денисенко М.А. Инжекционный лазер на основе квантовых областей // Сборник трудов студенческой конференции "Наноэлектроника и молекулярная электроника" 2008. — С. 48.

70. Денисенко М.А. Интегральные системы оптической коммутации многоядерных УБИС // Труды X научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» КРЭС 2010 - С. 42.

71. Rattner J., Pannicia M. The 50 Gbps silicon photonic link // A research milestone from Intel labs. White paper. 2008. PP. 1-22.230