تكامل الكتروني بصري

Optoelectronic integration -

التكامل الإلكتروني البصري

                                        شكري المقداد

المفاهيم الأساسية للتكامل الإلكتروني البصري	تصنيف التقنيات المستخدمة في تصنيع الدارات المتكاملة البصرية
تقنيات التكامل الإلكتروني البصري	أمثلة على الدارات المتكاملة البصرية
المواد الأساسية المستخدمة  فيالدارات المتكاملة البصرية	الآفاق المستقبلية للتكامل الإلكتروني البصري

 

غيّر تطور التقانات المكروية المستمر وتطور التقانة النانوية السريع الوجه الاقتصادي للكثير من الحقول، وينطبق هذا الأمر أكثر على مجال التكامل الإلكتروني البصري  integration optoelectronic والفوتونيات -علم البصريات والإلكترونيات البصرية- بسبب قرب مجال الطيف المرئي وتحت الأحمر من حدود مجال الطيف المكروي والنانوي فاستعملت فيه الأمواج البصرية إضافة غلى الوصلات الإلكترونية العادية. وقد جعل التطور السريع هذه التقانة نقطة مهمة في الانتقال من عصر الصناعة إلى عصر المعلومات. فعلى سبيل المثال كان تطور الثنائيات الليزرية laser diodes والثنائيات الكاشفة للضوء أساساً لتحقيق شبكات منظومات الاتصالات بالألياف البصرية التي تتميز بقدرة نقل كبيرة وسرية جيدة، وأصبحت الاتصالات عبر الألياف البصرية الآن أهم شكل من أشكال الاتصال السلكي اليوم. تنتشر منظومات الألياف البصرية انتشاراً واسعاً في كل المحيطات والقارات. وهي تنتشر أيضاً بين المقاسم الدولية منها والإقليمية والمحلية، وتستخدم اليوم أيضاً بين المقاسم في المدينة الواحدة وعلى مستوى الدائرة الحكومية الواحدة.

وإن أهداف التكامل الإلكتروني البصري عموماً هي ذاتها أهداف التكامل الإلكتروني؛ ولا سيما:

·      زيادة الوظائف التي تستطيع دارة متكاملة واحدة أداءها.

·      تخفيض الكلفة من أجل العنصر الواحد اللازم للقيام بوظيفة ما.

من هنا ازدادت الحاجة إلى التكامل الإلكتروني البصري، والفكرة الأساسية وراءها هي التردد (التواتر) العالي للضوء (200 تيرا هرتز)؛ الذي يسمح بعرض حزمة كبير يمكِّن من نقل كمية هائلة من المعلومات.

يعود إحلال الضوئيات محل الإلكترونيات إلى أسباب فيزيائية أساسية، وهي الحد من معدل نقل المعلومات إلكترونياً: فحيث يزداد التردد تزداد ممانعة الخط الذي ينقل الإشارة، لهذا السبب فإن ارتفاع التردد فوق 10 ميغا هرتز  يحتاج إلى وسط ذي مواصفات خاصة لنقل الإشارة بفعالية.

يبين الشكل (1) علاقة تخميد الإشارة المنقولة في كبل محوري نموذجي مع التردد، ويتضح من الشكل أنه عند التردد 100 ميغا هرتز يصبح التخميد نحو5dB/Km ؛ أي لا يمكن نقل الإشارة الكهربائية إلى مسافات كبيرة.

الشكل (1) تخامد الإشارة كتابع للتردد.

في حين يمكن- في المجال الضوئي- نقل إشارات بترددات من مرتبة 150-800 تيرا هرتز بتخامد قليل؛ أي أكبر بنحو مليون مرّة من التردد على الكبلات المحورية.

تستفيد الدارات المتكاملة البصرية من طول الموجة القصير نسبياً (0.5 – 2 مكرومتر) التي تسمح بصنع عناصر مصغرة من مرتبة المكرومتر. فالتقانة المطلوبة لتصنيع دارة بصرية على تسطح ما planar بهذه الأبعاد مثلاً هي تقانة مستقرة، وهي تلك التقانة المستخدمة في الإلكترونيات الصغرية (المكروية) micro-electronics والتي تستخدم أدوات ووسائل صنع أنصاف النواقلsemiconductor industry .

المفاهيم الأساسية للتكامل الإلكتروني البصري

إن الفكرة الأساسية وراء التكامل الإلكتروني البصري هي القدرة على حبس الضوء المراد نقله ضمن قنوات صغيرة، كما هي الحال في الألياف البصرية، حيث يحبس الضوء في أبعاد صغيرة من مرتبة بضعة مكرونات إلى بضعة عشرات المكرونات. ويتحقق ذلك عموماً باستخدام مرشدات (أدلة) موجة wave guidesمن مرتبة بضعة مكرونات من حيث السماكة والعرض وبضعة عشرات المكرونات من حيث الطول. ويكون ذلك عن طريق استخدام قرائن انكسار مناسبة لحبس الضوء في الحيز المرغوب؛ باستخدام ظاهرة الانعكاس الكلي المعروفة في مجال الضوء والتي تؤدي إلى حبس الضوء في وسطٍ قرينةُ انكساره عالية بالنسبة إلى محيطه إذا توفرت شروط أخرى قليلة وقابلة للتحقيق في معظم الحالات.

يبين الشكل (2) مرشدات الأمواج الأساسية المستخدمة لنقل الإشارات الضوئية في الدارات المتكاملة البصرية أو بينها.

الشكل (2) مرشدات الأمواج الضوئية الأساسية: أ‌-       مرشد موجة مستوٍ. ب- مرشد مستطيل المقطع. جـ - ليف ضوئي.

يُحبس الضوء في المرشد (أ) في الطبقة الوسطى بفعل الانعكاس الكلي، وكي يتم ذلك يجب أن تكون قرينة الانكسار للطبقة الوسطى أعلى من الطبقتين العليا والسفلى. ويُقاد الضوء في المرشد (ب) في القناة المتوازية المستطيلات المصنوعة في شريحة مستوية (الرمادية في الشكل) للسبب نفسه؛ ومن ثم يجب أن تكون قرينة انكسار تلك القناة أعلى من قرينة انكسار الوسط المحيط. وهذان المرشدان هما المفضلان في الدارات المتكاملة البصرية؛ لكونهما مصنعين على قاعدة مستوية، وهذه التقانة الموافقة لتصنيع دارات متكاملة إلكترونية بصرية تسمى دارات إلكترونية بصرية مستوية. أما  المرشد (جـ) فهو ليف ضوئي يقاد فيه الضوء في القناة الدائرية الداخلية، والتي تكون قرينة انكسارها أعلى من قرينة انكسار الطبقة المحيطة بها. يلاحظ أنه في المرشدين (ب) و(جـ) يحبس الضوء في بعدين، وينتشر باتجاه الثالث، على خلاف الأول حيث يحبس الضوء باتجاه واحد فقط؛ في حين ينعرج في البعد الثاني، وينتشر في البعد الثالث.

من وجهة نظر المكاملة يمكن تمييز ثلاثة أجيال لتطور المنظومات البصرية:

الجيل الأول: وهو الجيل ذو العناصر التقليدية الكبيرة نسبياً بمتوسط 1سم (الجدول 1  للأبعاد).

الجدول (1) تطور المنظومات الإلكترونية البصرية والمواصفات الأساسية لكل جيل.

الجيل الأول الجيل الثاني الجيل الثالث التقانة البصريات التقليدية البصريات المكروية البصريات والفوتونيات المتكاملة المكونات النموذجية مرايا، مواشير، عدسات، ليزرات غازية. عدسات صغيرة، ألياف متعددة الأنماط، ثنائي ليزري LD، ثنائي ضوئي LED. مرشدات قناة وحيدة النمط، ألياف وحيدة النمط،  ثنائي ليزريLD . التراصف ضروري. ضروري وصعب. غير ضروري. الانتشار شعاع. أشعة في مرشدات متعددة الأنماط. مرشدات وحيدة النمط (أبعادها بالمكرونات). حجم إلكترود التحكم 1 سم. 1 مم. 1 مكرومتر. حجم العنصر 1 م2. 10 سم2. 1سم2 على قاعدة سماكتها 1 مم.

الجيل الثاني: يمكن تسميته بجيل البصريات المكروية، والذي يمتاز بتصنيع عناصر مصغرة واستخدامها مثل الثنائيات المشعة للضوء، والثنائيات الليزرية، والألياف البصرية متعددة الأنماط، وكانت هذه العناصر هي الأولى باتجاه منظومات الاتصال بالألياف البصرية لهذه الأيام. ومع أنها عُدت تقدماً في هذا المجال؛ فإنها بقيت تعاني مشاكل التراصف وحقن الاستطاعة على نحو فعال بينها بسبب صغر الأبعاد.

الجيل الثالث: وهو جيل البصريات والفوتونيات المتكاملة، والذي اعتمد أساس الدارات والعناصر الإلكترونية البصرية المكاملة على قاعدة واحدة، وهذا أعطى مواصفات متميزة للمنظومات المصنعة بهذه التقانة، وأهمها:

1- التحليل مبني على أساس البصريات الكهرطيسية، بمعنى آخر فإنه لا يستخدم الضوء الهندسي لتحليل الظواهر عند التعامل مع عناصر الجيل الثالث، بل يجري باستخدام معادلات ماكسويل في الكهرطيسية.

2- تراصف مستقر stable alignment: هذا معامل حاسم ومفتاحي من أجل مواصفات عمل جيدة لأي منظومة بصرية، وهذا ما يميز الدارات المتكاملة البصرية، والتي تضمن بعد التصنيع هذه الخاصية. يضاف إلى ذلك أن هذه الدارات مستقرة مع الحرارة والاهتزاز، وتضمن الدارات المتكاملة البصرية هذه الخاصية؛ لأن جميع العناصر مصنوعة وفق القاعدة نفسها.

3- سهولة التحكم في الأنماط المقودة: بما أن مرشدات الموجة في الدارات المتكاملة تكون وحيدة النمط؛ فمن السهل التحكم بتدفق الإشعاع في الأفعال الكهربصرية، والحرارية – البصرية، والصوتية - البصرية، والمغنطيسية - البصرية، أو عند تحكم الضوء بنفسه عن طريق التفاعلات غير الخطية. ولو كانت المرشدات ليست وحيدة النمط؛ لتعقدت مسألة التحكم تعقداً كبيراً جداً؛ بسبب اختلاف خصائص الحقل في كل نمط.

4- التحكم بجهد منخفض: ففي الفعل الكهرضوئي الذي يستخدم فيه جهد  كهربائي لتعديل الإشارة الضوئية - لأن أبعاد المرشد صغيرة على قاعدة التكامل - فإن الحقل الناتج من تطبيق جهد كمون من مرتبة بضعة فولطات كافٍ لحصول الفعل، في حين يُحتاج في الضوئيات التقليدية إلى مئات الفولطات أو آلاف الفولطات لتحقيق الأثر نفسه.

5- عمل أسرع: إن حجم أقطاب التحكم الصغير وكذلك أبعاد الدارة الفوتونية المتكاملة –عموماً- يجعل المكثفات صغيرة، وهذا ما يسمح بسرعة تبديل (وصل - فصل) switching عالية جداً، وسرعات تعديل الحزمة وعرضها أكبر. وقد جرى تحقيق سرعات تبديل من مرتبة 40 Gbit/s بسهولة باستخدام عناصر مصنعة على قواعد نيوبات الليثيوم Lithium niobates (LiNbO3) أو أنواع من البوليمرات أو قواعد من فوسفيد الإنديوم Indium phosphide (InP).

6- تفاعل بصري- صوتي فعال: حيث يمكن باستخدام أمواج صوتية سطحية Surface Audio-Waves (SAW) مولدة بمبدل كهرضغطي transducer-piezo الحصول على عناصر بصرية متكاملة عالية المواصفات.

7- كثافة استطاعة ضوئية عالية: يمكن الحصول على كثافة استطاعة عالية بسبب المقطع العرضي الصغير للعناصر البصرية في الدارات المتكاملة البصرية؛ وهذا مهم من أجل الحصول على الأفعال غير الخطية المستخدمة لتصنيع عناصر لها أهميتها وذات مواصفات عالية، مثل مبدلات التردد frequency converters أو مضخمات ضوئية أو حتى ليزرات.

8- صغيرة الحجم وخفيفة الوزن: وذلك بسبب مكاملة مجموعة من العناصر على قاعدة بمساحة لا تتجاوز بضعة مليمترات مربعة.

9- تكلفة منخفضة: يؤدي تطوير هذه التقانات إلى إنتاج كمي كبير عبر تقانات الليثوغرافيا (الطباعة بالحفر) وطبع الأقنعة؛ إضافة إلى أن تقانة التصنيع السطحي تقلل من استهلاك كمية المادة الضرورية لتصنيع العناصر.

أسست هذه الخلفيات والمفاهيم لدخول منتجات هذه التقانة إلى السوق بسهولة.

تقنيات التكامل الإلكتروني البصري

تتنوع تقنيات تصنيع العناصر والدارات المتكاملة البصرية وطرائقها تنوعاً كبيراً جداً، وتعتمد كذلك على مادة الركازة (القاعدة) substrate التي تجري مكاملة العناصر البصرية عليها. إن أكثر الطرائق المستخدمة في تعريف الدارات المتكاملة البصرية على قاعدة هي تقنيات الانتثار diffusion، كانتثار الليثيوم في نيوبات الليثيوم، وكذلك تقنيات التوضع deposition مثل التوضع انطلاقاً من الطور البخاري المستخدمة من أجل السليكا؛ إضافة إلى تقنيات النمو growth.

بما أن أبعاد المقطع العرضي للدارات المصنعة هي من مرتبة المكرونات؛ فإن تقانة التصنيع تحتاج في كثير من الأحيان إلى معالجة فوتوليثوغرافية (الحفر الضوئي).

ففي حالة استخدام تقانة الانتثار يمكن استخدام قناع mask فوتوليثوغرافي؛ لتحديد قنوات مفتوحة تدخل المواد المراد لها الانتثار إلى القاعدة من خلالها، أو يمكن أن توضع المادة المطلوبة مباشرة في تلك القناة غير المغطاة بالقناع بطريقة التبخير أو التنمية (الشكل 3).

               

الشكل (3) قناع على سطح شريحة في منتصف قناة تسمح بإجراء التوضع أو الانتثار عبرها فقط.

وفي حالة تصنيع مرشدات أمواج وغيرها بطريقة التوضع مثلاً؛ يجري تحديد المرشد وغيره بطريقة التنميش (الحفر) etching بعد تشكيل ذلك على سطح القاعدة كاملاً.

يتوسع التكامل الإلكتروني البصري عملياً في اتجاهين: تكامل تفرعي وتكامل تسلسلي. ففي التكامل التسلسلي من أجل الاتصالات البصرية -مثلاً- تتوضع وتربط العناصر المختلفة على شريحة التكامل بالتتالي: الليزر ودارة قيادته، المعدل وإلكترونيات القيادة، الكاشف ودارات الاستقبال. أما في التكامل التفرعي؛ فتبنى الشريحة بصفوف أو أعمدة من المضخمات، والكواشف و/أو من المجمعات /المفرقات.

يمكن لمزيج من هاتين الطريقتين أن تجتمعا على الشريحة نفسها، ومثالها عند تصنيع وصلات متصالبة cross-connect  أو عناصر الإضافة-الطرح add- drop modules.

يجري تحقيق أعلى مستوى من التكامل (سواء أكان تسلسلياً أم تفرعياً) في التكامل وحيد الشريحة monolithic، حيث تُكامل جميع العناصر الضوئية (منابع الضوء والكواشف والمتحكمات بالضوء والمعدلات والإلكترونيات ...) على شريحة واحدة.

تُعدّ المواد نصف الناقلة من أكثر المواد الواعدة لإجراء تكامل وحيد الشريحة على نحو كامل؛ ولا سيما الشرائح على أساس من المواد مثل زرنيخيد الغاليوم Gallium arsenide (GaAs) وفوسفيد الإنديوم.

تحوي الشريحة الضوئية المتكاملة في تقانة التكامل الهجين عناصرَ التحكم بالضوء فقط مثل: المعدلات، ومرشدات الأمواج، والمضخمات الضوئية وغيرها، أما المنابع الضوئية (كالليزرات) والكواشف؛ فإنها تبنى على قاعدة أخرى تلحم بالشريحة الأولى مع إجراء ما يلزم من التراصف وغيره، أو يوصل بعضها ببعض بوساطة ألياف بصرية.

من الأمثلة على التقانات الهجينة تلك التي تحتوي على ركازات (قواعد) عازلة dielectric substrates مثل الزجاج أو السليكا، أو البلورات الحديدية-الكهربائية ferro-electric crystals. ويمكن الإشارة هنا إلى أنه في حالة استخدام مادة السليكا على قاعدة من السليكا، يمكن عدّها تكاملاً شبه هجين؛ لأنه يمكن تنفيذ المكونات الضوئية والإلكترونية، والكواشف في شريحة واحدة؛ ما عدا المنبع الضوئي.

لا بد من الإشارة إلى حاجة كل دارة متكاملة بصرية إلى دخل خرج ضوئي، يجري عبره إيصال الإشارة الضوئية -المحمولة عموماً بالألياف البصرية- إليها وأخذها منها، وتُعدّ هذه النقطة من أصعب الوظائف في عمليات تغليف packaging الدارات أو العناصر المتكاملة، حيث يلزم هنا وصل ليف إلى مرشد الموجة أو المنبع في الشريحة. ويعود سبب ذلك إلى كون دقة التراصف بينهما هي من مرتبة 0.1  مكرومتر أو أقل من أجل ضياع قليل، حيث يجب صقل نهاية الليف بعناية، ويطلب أحياناً أن يكون الصقل مائلاً بزاوية لتجنب الانعكاس الراجع على سطح الليف. ويلاحظ أنه تجب المحافظة على هذه الدقة في التراصف خلال الوصل، وبعده في أثناء العمل في الظروف المختلفة، حيث يمكن أن يحصل اهتزاز وتغيرات حرارية، وصدمات محيطية، وهذا ما يصعب تحقيقه كثيراً. مع أن استخدام تقانة الليثوغرافيا لصناعة الدارات والعناصر المتكاملة البصرية، فإنها في الحقيقة تختلف عن تلك المستخدمة في إلكترونيات أنصاف النواقل بما يلي:

1- في الوقت الذي تؤثر الانحناءات والوصلات في معدل النقل الأعظمي؛ فإنها تؤثر في الضوئيات، أساساً في الاستطاعة الضوئية في النظام أو الخارجة منه.

2- تتفاعل الإلكترونات بقوة بين بعضها البعض في الدارة المتكاملة الإلكترونية، في حين يمكن للفوتونات المنتشرة في الحيز نفسه ألا تتفاعل بعضها مع بعض أبداً.

في النتيجة فإن الدارات المتكاملة الإلكترونية لها هندسة مربعة إجمالاً، ومصنعة بعدة طبقات؛ للسماح للإشارات الكهربائية بالعبور بعضها فوق بعض من دون أن تتقاطع، أما الدارات البصرية؛ فإنها في الغالب تكون على طبقة واحدة، وبهندسة متطاولة، وبتدفق وحيد الاتجاه؛ لتجنب الانحناءات في المسار الضوئي.

المواد الأساسية المستخدمة في الدارات المتكاملة البصرية

مع وجود العديد من المواد التي يمكن أن تستخدم لتصنيع مرشدات الأمواج الضوئية؛ فإن عدد المواد المستخدمة في الدارات المتكاملة البصرية محدود؛ إذا أريد تحقيق المواصفات المطلوبة منها.

تشمل هذه المواد طيفاً واسعاً من الزجاج، ونيوبات الليثيوم، وبعض أنواع البلورات، وأنصاف النواقل (الجدول 2).

 

الجدول(2) بعض المواد الأساسية المستخدمة في العناصر البصرية المتكاملة.

الركازة (القاعدة) مواصفات المادة تقانة المرشد المزايا العناصر المصنعة زجاج متعدد المكونات دمج أتربة نادرة منخفضة السعر تبادل إيوني سهولة التصنيع ورخصه- ضياعات منخفضة عناصر غير فعالة ومضخمات SiOxNy:SiO2:Si TiO2/SiO2/Si رخيصة وتصنيع متعدد الجوانب أكسدة حرارية، طرائق ترسيب كيميائية وفيزيائية CVD, FHD, ECR, Sol-gel تقانة مكروإلكترونية متعددة الجوانب عناصر غير فعالة، مفاتيح TO AWG نيوبات الليثيوم كهربصرية، صوتية – بصرية مواصفات لاخطية مواصفات ثنائية الانكسار انتثار معدني تبادل بروتوني تحكم سهل بالضوء عدم تماثل المناحي anisotropic مفاتيح، روابط، معدلات، مجمعات/مفرقات المركّبات III-V (InP, GaAs) مواصفات كهرضوئية، منابع ضوئية، كواشف ضوئية، إلكترونية نمو طباقي    نوع   ) إيبيتاكسي(   MBE,LPE, CVD, MOCVD. مستوى تكامل عالٍ معدلات، مضخمات، ليزرات، AWG البوليمرات مواصفات كهرضوئية، حرارية ضوئية، غير خطية تطلية بالدوران السريع  spin coating، تطلية بالتغطيس dip coating تنوع كبير، مجال واسع من المواصفات الفيزيائية حساسات كيميائية وبيولوجية، مفاتيح TO ، ومعدلات EO

ترسيب كيميائي من البخار   ( (CVD Chemical Vapor Deposition

ترسيب بالتحليل الحراري اللهيبي (FHD)  Flame Hydrolysis Deposition

ترسيب بالرنين الإلكتروني السيكلوتروني (ECR) Electron Cyclotron Resonance

نمو طباقي بالحزمة الجزيئية ( (MBE Molecular Beam Epitaxy

نمو طباقي من الطور السائل  ( (LPE Liquid Phase Epitaxy

ترسيب كيميائي من بخار معدني عضوي ( (MOCVD Metal-Organic Chemical Vapor Deposition

ترسيب ضوئي حراري (TO) Thermo-Optic

شبكة أدلة مصفوفية ( (AWGArrayed Waveguide Grating

إن أكثر الركازات استخداماً هنا هي من الزجاج، أو نيوبات الليثيوم، أوسليكا على سليكون، أو مواد نصف ناقلة من المركّبات III-Vوالبوليمرات. وطبيعي أن لكل من هذه المركّبات إيجابياتها وسلبياتها، وتختار مادة القاعدة المناسبة منها عند التصنيع، وهناك اليوم أنواع عديدة من العناصر المصنوعة باختيار مناسب لمادة القاعدة (الركازة) من هذه المواد.

تصنيف التقنيات المستخدمة في تصنيع الدارات المتكاملة البصرية

يمكن تصنيف تقانات مكاملة العناصر الإلكترونية البصرية والدارات الإلكترونية ضمن مجموعتين: هجينة hybrid ووحيدة الشريحة monolithic. وينتشر اليوم تجارياً العديد من نواتج هذه التقانات. يتضمن التكامل الهجين الجمع بين دارات إلكترونية متكاملة وعناصر إلكترونية بصرية في التغليف package أو على القاعدة نفسها. ويمكن تحقيق ذلك باستخدام تقنيات هجينة تقليدية للجمع ببساطة بين عناصر مغلفة على قاعدة من السيراميك، ولكن التكامل البصري–الإلكتروني الناتج عندها سيكون قليل الكثافة، وسيضيع الكثير من مزايا استخدام عناصر كهربصرية.

يقدم التكامل الهجين حلولاً سريعة لبعض متطلبات الدارات المتكاملة الإلكترونية البصرية، وربما تكون الخيار التقاني المفضل عندما يراد جمع أكثر من نوع من العناصر على القاعدة نفسها، ولكن يبقى التكامل الوحيد الطبقة متفوقاً عندما يكون المطلوب السرعة وكثافة التكامل ووثوقية النظام والتعقيد العالي وقابلية التصنيع. تبقى الصعوبة الوحيدة المرتبطة بالتكامل الوحيد الطبقة هي كون المادة الواسطة الاستخدام والمطورة جداً في صنع الدارات المتكاملة الإلكترونية، وهي السليكون؛ ليست مفيدة للكثير من العناصر البصرية-الإلكترونية، وعليه فإنه يجب استخدام التكامل الوحيد الطبقة للعناصر الإلكترونية-البصرية  فقط على السليكون، أو للعناصر الإلكترونية فقط. أما التكامل الوحيد الطبقة من مادة زرنيخيد إنديوم غاليومألومنيوم  Indium Gallium AluminumArsenide (InGaAlAs) وفوسفيد زرنيخيد الغاليوم والإنديوم   Indium Gallium Arsenide Phosphide (InGaAsP)على السليكون (تدعى عموماً  GaAs–on-Si) فمرغوب فيه لأنه يمكّن من استثمار الإرث المتوفر اليوم من تقانة الدارات الإلكترونية المتكاملة السليكونية المعروفة بشبه موصل مكمل من أكسيد معدني ثنائي القطب Bipolar Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (BiCMOS).

 ولسوء الحظ فإن التنمية الطباقية (الإيبيتاكسية) epitaxy لمواد من مجموعة العناصر III-V على السليكون، أو بالعكس صعبة الإجراء لسببين:

 1- ثوابت الشبكة لــ GaAs و Si تختلف بمقدار 4%، وهذا يُعدّ عائقاً ولو أنه يمكن التغلب عليه بتقنيات تنمية ابتدائية خاصة وطبقات بينية interfaceعازلة.

2- معاملات التمدد الحراري بينهما تختلف بمقدار 50%، وهذا الرقم كبير؛ الأمر الذي يؤدي إلى حصول تشوهات بنيوية؛ وأحياناً تشققات كبيرة في الشريحة، كما تتعرض إلى إجهادات شديدة. هذه الأمور جميعها تؤدي إلى تقليل وثوقية العناصر وعمرها تقليلاً واضحاً، وعموماً تقلل مواصفات العنصر.

وثمة حلول واعدة لمثل هذه المشاكل، تتلخص في إدخال طبقة منزرنيخيد الألمنيوم   (AlAs)Arsenide Aluminum  بين طبقات التنمية الابتدائية والتركيب الهجين للعنصر الفعال، وبعدها يجري حفر تلك الطبقة وإخراجها لفصل بنية العنصر III-V عن السليكونSi   فيزيائياً، وإلا فيجب مكاملتها بشكل وحيد الطبقة monolithically على القاعدة.

بينت الدراسات في معهد MIT أنه يمكن تحمية annealing التراكيب المنفصلة حرارياً لإزالة الإجهادات والعيوب المحرضة فيها، وإذا حصل ذلك؛ فإنه يحسن مباشرة وثوقية العنصر ومواصفاته.

لقد قادت الصعوبات بالتكامل الوحيد الطبقة على السليكون، والتقدم المستمر في مستويات التكامل الإلكتروني المحققة على قواعد من مواد من المجموعة III-V إلى الاتجاه نحو التكامل الوحيد الطبقة على زرنيخيد الغاليوم أو فوسفيد الإنديوم؛ حيث جرت المتابعة باستخدامهما.

أمثلة على الدارات المتكاملة البصرية

يبين الشكل (4) دارة متكاملة بصرية، يظهر عليها مجموعة العناصر التي جرت مكاملتها على شريحة واحدة، وهي موجهة للاتصالات البصرية، حيث يُرى عليها ليزر الإرسال وكاشف الاستقبال؛ إضافة إلى عناصر أساسية مثل المعدل الكهرضوئي، وإلكترونيات معالجة الإشارة المستقبلة مكاملة لعناصر مختلفة. ويبين الشكل (5) مثالاً عن تركيب خلية شمسية مشكلة بوصلة p-n على قاعدة GaAs.

الشكل (4) دارة إلكترونية - بصرية متكاملة للاتصالات البصرية.

الشكل (5) مكاملة خلية شمسية من وصلة p-n على قاعدة من GaAs.

الآفاق المستقبلية للتكامل الإلكتروني البصري

منذ ظهور الفكرة الأولى للتكامل الإلكتروني البصري قبل أكثر من خمس وأربعين سنة مازال التطور في هذا الموضوع مستمراً، وقد تمخض عن عدد كبير من المنتجات خصوصاً في مجال الاتصالات البصرية، مثل المنابع الضوئية نصف الناقلة والكواشف الضوئية، وكلاهما يعمل بمواصفات عالية لا يمكن تحقيقها إلا باستخدام التكامل الإلكتروني البصري؛ إضافة إلى المضخمات الضوئية التي أعطت بعداً جديداً وإضافياً للاتصالات البصرية. ومن الأمثلة كذلك الخلايا الشمسية التي تؤدي دوراً مهماً في استخدامات الطاقة البديلة أو النظيفة.

يستمر تطور التكامل الإلكتروني البصري بكل ثقة، وأحد أوجه التطورات المستقبلية هو تطوير التقانات الحالية بهدف الحصول على كثافة أعلى في التكامل، و/أو الحصول على مواصفات أعلى للعناصر المتكاملة المصنعة.

تحتاج جميع العناصر المكاملة على الشريحة أو القاعدة نفسها إلى وصلات بينية interconnects، وتؤدي هذه الوصلات دوراً مهماً في تحديد الاستجابة الترددية للدارة، ولذلك فإن التطورات المستقبلية تسعى إلى تحسينها باستمرار، وتتابع الجهات العلمية والشركات المساهمة هذا الأمر باستخدام مواد ذات فروق قرائن انكسار كبيرة، أو استخدام قواعد SOI؛ أي ما يعرف بتقانة سليكون على عازل silicon on insulator.

وأخيراً: وربما من أهم الآفاق المستقبلية العمل في تطبيقات ما يعرف بتقانة الفوتونيات النانوية السليكونية silicon nanophotonics وبحوثها، وهو الحقل الواعد بالعديد من العناصر ذات المواصفات العالية.

 

مراجع للاستزادة: -  C. García Núñez, F. Liu, Integration Techniques for Micro/Nanostructure-based Large-Area Electronics (Elements in Flexible and Large-Area Electronics), Cambridge University Press, 2018. -  R. Herrick, O. Ueda, Reliability of Semiconductor Lasers and Optoelectronic Devices, Woodhead Publishing 2021. - S. Valette, Integrated Optics: The history and the future, proceeding of European Conference on Integrated Optics, Copenhagen, Denmark, 2007. - H. Zimmermann, Silicon Optoelectronic Integrated Circuits, Springer, 2019.

---

- التصنيف : كهرباء وحاسوب - النوع : كهرباء وحاسوب - المجلد : المجلد التاسع، طبعة 2025، دمشق مشاركة :