Optoelektronik: Det ljusnar i Tammerfors
av Urpo Kaila Forum 1988-10, sida 08-09, 02.06.1988
ptoelektroniken eller fotoniken är en OO; spirande teknologi som kan led till radikala förändringar inom elektroniken. Jämfört med traditionell mikroelektronik är optoelektroniken snabbare, effektivare och den kräver mindre utrymme och energi.
Men optoelektronik kräver andra material och produktionsmetoder än den existerande halvledarteknologin. Vid universitet och elektronikföretag världen runt pågår som bäst intensiv forskning om optoelektronik.
— Tekniker för optisk tetekommunikation och signalbehandling samt metoder för lagring av optiska data är centrala frågor för 90-talets elektronikindustri. Finlands konkurrenskraft beror i hög grad på vår förrmåga att applicera mikroelektronik och automation i produkter som ger höga bidrag, säger professor Markus Pessa som leder det optoetektroniska projektet på institutionen för fysik vid Tammeriors tekniska högskola, TTKK.
Det nya materialet
Mikroelektroniken har hittills baserat sig på kisel (Si). Men man kan förbättra halvledarnas prestanda radikalt om man ersätter kisel med nya föreningar som t ex galliumarsenid (GaAs).
— Galliumarsenid är idag den viktigaste halvdelarföreningen. Enligt teorierna kunde man med hjälp av GaAs tillverka hinnor som har en tjocklek på endast några atomer. Kvantkomponenter som bygger på tunnfilm av GaAs skulle kräva endast en bråkdel av den effekt som moderna CMOSkomponenter (Complementary Metal Oxide Semiconductor) kräver, säger Pessa.
Elektronerna rör sig sex gånger bättre i GaAs än i Si. Trots att GaAs är skörare och att den har en sämre värmeledningsförmåga än Si ger det nya materialet häpnadsväckande möjligheter.
— Med kvantkomponentteknik kunde man i princip integrera en superdators hela elektronik på ett enda chip — på en kvadratcentimeter! Trots att detta är en framtidsvision, inte befintlig know-how, är det klart att fysikens lagar inte ställer principiella hinder för att utveckla betydligt mindre och effektivare halvledarkretsar, uppger Pessa.
GaAs-teknologin är ännu morgondagens teknologi. Inom den närmaste framtiden kommer den inte att ersätta traditionella kiselbaserade produkter. GaAs-halvledare bjuder i första hand på kompletterande lösningar till produkter som kräver effektivitet och snabbhet, t ex rymdelektronik och superdatorernas minnen.
Det ljusnar
GaAs och den andra viktiga halvledarföreningen indiumfosfid (InP) har en förmåga att sända och emotta ljus. Av dessa föreningar kan man tillverka optiska komponenter: ljusemitterande dioder (LED), ljusdetektorer och laserkomponenter. Med hjälp av GaAs eller InP kan man integrera elektronisk 8
OPIOELEKTRONIK:
Text: Urpo Kaila
Det ljusnar i Tarmerfors
En forskargrupp vid Tammerfors tekniska högskola utvecklar halvledare som sänder och tar emot ljus. Komponenterna består av extremt tunna filmer och nya material som galliumarsenid och indiumfosfid. Projektet är en del av vårt nationella utvecklingsprogram fö mikroelektronik.
och optiska komponenter på en och samma krets.
Forskargruppen vid TTKK har redan tillverkat ljusdetektorer. Nästa steg är att utveckla detektorer som kan förstärka signaler.
Optoelektroniken baserar sig på en spe ciell egenskap hos vissa material. När man bombarderar en optoelektronisk komponent med ljuspartiklar, fotoner, genererar komponenten elektrisk ström. Och vice versa, genom att leda ström genom komponenten får man den att emittera ljus.
Om komponenten genererar vanligt lju 10/1988 FRU är det fråga om en ljusemitterande diod, en LED. Processen kallas då för en spontan emission. En laserdiod bygger däremot på en inducerad emission som ger koherent ljus. Deta innebär att ljusvågorna är s a s synkroniserade, att de går i samma plan
För att kunna rikta den optoelektroniska omponentens emission kan man placera en tunn ledare med 12 mikrometers diameer ovanför den. Emissionen sker då paral|ellt med ledaren. Komponentens matta sidor och filmer ovanför och under den aktiva ilmen förhindrar emission i oönskad riktning.
Ny produktionsteknik
De ytterst tunna filmerna kan inte tillverkas med traditionell teknik. Men med nya meto FeRUN, 10/198 der som MBE (Molecular Beam Epitaxy) och CBE (Chemical Bearn Epitaxy) kan man generera filmer vars tjocklek är endast en tiondedels mikrometer (en mikrometer = 0,001 mm).
Med MBE-metoden genererar man tunnfilmer genom att rikta en molekylstråle mot kretsens substans, dvs dess underlag. Molekylstrålen får man genom att upphetta fasta ämnen. CBE-metoden har däremot gaser som källmaterial.
Den stora fördelen med MBE är att den kan utnyttja fosfor — ett livsviktigt ämne för den optiska telekommunikationen. Fosforn har egenskaper som harmoniserar med den optiska telekommunikationens våglängder.
CBE:s gasaktiga källmaterial är mera lätthanterligt än fasta källmaterial. CBE är även en snabbare metod än MBE.
En tredje metod som kallas för ALE (Atomic Layer Epitaxy) bygger på en kemisk process på substratets yta. Denna metod används mycket sällan men kan användas med framgång i vissa speciella tilämpningar. Lohja Oy hör till en av de få producenter som använder ALE-metoden.
— MBE och CBE är mycket speciella metoder som tillämpas när traditionell teknologi inte förslår. När det behövs stor precision och mycket snabba kretsar är tunnilmsbaserad optoelektronik ett alternativ. Klasskillnaderna kan väl illustreras med en prisjämförelse, Ett vanligt kiselchip kan kosja 30—40 mark medan priset för en tunnilmskrets kan gå upp till 30 000 mark, säger Pessa.
Inom MBE-forskningen är Finland nu det |edande landet i Europa. Globalt sett leder Japan och USA. Inom CBE-tekniken är Finland på andra plats | Europa medan USA är världsetta
Totalbudget på 100 Mmk
Forskningsprojektet vid TTKK hänför sig till det nationella utvecklingsprogrammet för mikroelektronik. Programmet finansieras i huvudsak av Teknologiska utvecklingscentralen TEKES.
DFB-laser ger superhastighete ammerfors tekniska högskola TTKK | forsnerar en halvedarlaser fö telekommunikation. Målet är att DFB-lasern — (Distributed Feed-Back) skall nå upp till hastigheter på flera gigabaud (1000 000 000 bit/sekund). Laserns optoelektroniska komponenter produceras med hjälp av CBE-metoden (Chemical Beam Epitaxy).
DFB-laserns komponenter består bl a av en tunn film av indiumgaltiumarsenid (InGaAs). Man siktar på att lasern skall ha ett spektrum som är ca 50 Mhz brett och en medelfrekvens som är konstant. Det skall vara möjligt att multiplexa betydligt fler kanaler till optiska fibrer än tidigare. Tillsvidare befinner sig projektet på försökstadiet. UK €
Förutom TTKK är även Tekniska högskoJan (i Otnäs), Uleåborgs universitet och Statens tekniska forskningscentral VTT med i programmet. Därtill kommer 27 företag och organisationer som deltar både som samarbetspartners och finansiärer.
— Jag kan inte nämna namnen på de företag som är med, eftersom förhandlingar pågår som bäst, säger Pessa.
Man kan dock anta att tex Nokia och Post- och televerket är med i programmet.
Utvecklingsprogrammets budget är ca 100 miljoner mark. Det fyraåriga programmet är nu inne på sitt andra verksamhetsår. (Projektets start beskrevs i Forum nr 12/86.)
Optoelektroniken och de nya halvledarföreningarna är endast en del av utvecklingsprogrammet. Andra forskargrupper utvecklar produktionsteknologi för kundspecifika kretsar och kiselbaserade kretsar.
— Erfarenheten visar att det lönar sig att investera i ny spjutspetsteknologi. En framgång ersätter förlusterna av tio misslyckanden, säger Pessa. LJ
Professor Markus Pessa vid TTKK leder ett utvecklingsprojekt om optoelektronik och nya halvledarföreningar.
De optoelektroniska komponenterna baserar sig på flera lager av ytterst tunna filmer. Dessa filmer, som kan bestå av bl a galliumarsenid, genereras med en MBE-apparat.