Το πορώδες πυρίτιο ως υπόστρωμα για την ολοκλήρωση υψηλής απόδοσης παθητικών διατάξεων RF και κεραιών σε Si
Authors: Σαράφης Παναγιώτης 
Published: September 2021

Μία από τις κύριες τεχνολογικές προκλήσεις του κλάδου των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, είναι η ταυτόχρονη ολοκλήρωση υψηλής ποιότητας αναλογικών κυκλωμάτων, και κυκλωμάτων ραδιοσυχνοτήτων (RF), μαζί με ψηφιακά κυκλώματα CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Μέχρι τώρα, τα περισσότερα από τα κυκλώματα RF κατασκευάζονται σε III-V ημιαγωγούς, αυξάνοντας αρκετά το κόστος κατασκευής ολόκληρου του συστήματος και παρουσιάζοντας υψηλές απώλειες εξαιτίας των διασυνδέσεων. Το κύριο εμπόδιο για την ταυτόχρονη ολοκλήρωση των κυκλωμάτων RF μαζί με τα λογικά κυκλώματα εντοπίζεται στην ολοκλήρωση υψηλής απόδοσης παθητικών στοιχείων RF σε πυρίτιο (Si), το οποίο είναι συμβατό με την τεχνολογία CMOS. Η δυσκολία οφείλεται κυρίως στην χαμηλή ειδική αντίσταση του CMOS Si, αλλά και στην υψηλή σχετική του επιτρεπτότητα. Οι λύσεις που έχουν προταθεί μέχρι στιγμής, όπως δισκίδια παθητικοποιημένου Si υψηλής ειδικής αντίστασης (HR-Si) ή βαθιά αμορφοποιημένο Si μέσω πρωτονικού βομβαρδισμού, δεν έχουν επιτύχει να είναι ταυτόχρονα οικονομικές και ενσωματώσιμες στην τεχνολογία CMOS. Αυτό ακριβώς το κενό, προσπαθήσαμε να γεφυρώσουμε κατά την εκπόνηση αυτής της διατριβής.Στο πλαίσιο της διεξαχθείσας έρευνας, προσπαθήσαμε να αναλύσουμε τα πλεονεκτήματα του τοπικού σχηματισμού πορώδους πυριτίου (PSi) για την μονοψηφιδική ολοκλήρωση παθητικών στοιχείων RF και κεραιών. Το PSi είναι μία νανοδομημένη μορφή του Si, η οποία μπορεί να κατασκευαστεί εύκολα με μεθόδους ηλεκτροχημείας. Σε αντίθεση με το κρυσταλλικό Si, το πορώδες Si έχει υψηλή ειδική αντίσταση και χαμηλή σχετική επιτρεπτότητα. Επιπλέον, το βασικό του πλεονέκτημα είναι ότι μπορεί να σχηματιστεί τοπικά σε δισκίδιο CMOS Si, αφήνοντας όλη την υπόλοιπη επιφάνεια άθικτη για την ολοκλήρωση των ψηφιακών κυκλωμάτων CMOS.Ο πρώτος μας στόχος, ήταν να χαρακτηρίσουμε με ακρίβεια τα στρώματα PSi. Προς αυτήν την κατεύθυνση, ολοκληρώσαμε ομοεπίπεδους κυματοδηγούς (CPW) σε διάφορα στρώματα PSi και αναπτύξαμε μία μέθοδο για να εξαγάγουμε τις διηλεκτρικές τους παραμέτρους με αναλυτικό τρόπο. Η μέθοδος εφαρμόστηκε στις συχνότητες 0–40 GHz και 140–210 GHz, όπου παρατηρήσαμε ότι η σχετική επιτρεπτότητα των στρωμάτων PSi που κατασκευάσαμε ήταν μεταξύ 2 και 3.8, και η τιμή της ήταν σταθερή σε όλο το εύρος συχνοτήτων. Η εφαπτομένη απωλειών ήταν γύρω στο 0.03. Οι εξαχθείσες παράμετροι διαφόρων δειγμάτων PSi χρησιμοποιήθηκαν σε εμπορικά πακέτα ηλεκτρομαγνητικών προσομοιώσεων. Μέσω αυτού, μπορέσαμε να αναπαράξουμε τα αποτελέσματα των μετρήσεων για διάφορες διατάξεις (CPW διαφορετικών χαρακτηριστικών αντιστάσεων και πηνία), αποδεικνύοντας την εγκυρότητα της αναλυτικής μας μεθόδου.Έχοντας χαρακτηρίσει το PSi, συγκρίναμε την απόδοση των CPW και των πηνίων σε PSi, με αυτήν των ίδιων διατάξεων, ολοκληρωμένων σε άλλα υποστρώματα, όπως το παθητικοποιημένο HR-Si και το quartz. Εδώ πρέπει να τονίσουμε ότι το υπόστρωμα παθητικοποιημένου HR-Si έχει εμπορευματοποιηθεί πρόσφατα και θεωρείται μία από τις τεχνολογίες αιχμής για την ολοκλήρωση στοιχείων RF στο Si. To quartz έχει πολύ χαμηλές απώλειες και χρησιμοποιείται σε τεχνολογίες διακριτών στοιχείων RF. Γι’αυτό το λόγο, στη σύγκριση χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα αναφοράς. Αυτό που παρατηρήσαμε, είναι ότι το PSi παρουσιάζει πάρα πολύ χαμηλές απώλειες, χαμηλότερες από το παθητικοποιημένο HR-Si και συγκρινόμενες με του quartz. Αυτό οδηγεί σε χαμηλές απώλειες των γραμμών μεταφοράς και αυξημένο συντελεστή ποιότητας των πηνίων. Ειδικότερα, ο συντελεστής εξασθένισης που μετρήθηκε για τα CPW είναι ένας από τους χαμηλότερους μεταξύ των τεχνολογιών που είναι συμβατές με τη CMOS. Επιπλέον, αναδείξαμε ότι η πολύ χαμηλή σχετική επιτρεπτότητα του PSi μειώνει τη χωρητική σύζευξη των διατάξεων με το υπόστρωμα, γεγονός που οδηγεί σε χαμηλότερες παρεμβολές μεταξύ των διατάξεων και υψηλότερη συχνότητα λειτουργίας των πηνίων. Αυτή η ιδιότητα επιτρέπει, επίσης, την ολοκλήρωση σε Si, CPW μεγάλης χαρακτηριστικής αντίστασης, διατάξεις που είναι κρίσιμες για την κατασκευή ολοκληρωμένων βαθυπερατών φίλτρων.Στο τελευταίο κομμάτι αυτής της διατριβής ασχοληθήκαμε με την ολοκλήρωση διπολικών κεραιών σε υπόστρωμα PSi. Οι κεραίες σχεδιάστηκαν να λειτουργούν στα 50 GHz και 100 GHz. Παρατηρήσαμε ότι με τη χρήση PSi μειώνονται οι απώλειες του υποστρώματος και βελτιώνεται η απόδοση των κεραιών σε σχέση με αυτές που είναι ολοκληρωμένες σε CMOS Si. Μέσα από ανάλυση, η οποία έγινε μέσω προσομοιώσεων, μπορέσαμε να προσδιορίσουμε τις αναγκαίες διαστάσεις και ιδιότητες της περιοχής του PSi (πλάτος, μήκος, πάχος και σχετική επιτρεπτότητα), ώστε να επιτυγχάνεται η βέλτιστη απόδοση της διπολικής κεραίας. Χρησιμοποιώντας τις βέλτιστες συνθήκες, προβλέψαμε ότι μπορεί να επιτευχθεί κέρδος ίσο με 1 dBi, μία τιμή που είναι πολύ ικανοποιητική σε σχέση με αυτές που μπορούμε να βρούμε στη βιβλιογραφία.Συμπερασματικά, μέσα από τη διατριβή δείχθηκε ότι το PSi είναι μία πολύ ανταγωνιστική λύση για την μονοψηφιδική ολοκλήρωση παθητικών στοιχείων RF και κεραιών σε υπόστρωμα Si. Η κύρια συμβολή αυτής της εργασίας είναι να εμπλουτίσει το χαρακτηρισμό του PSi, αναπτύσσοντας μία ακριβή και επαναλήψιμη μέθοδο και στοχεύοντας στη διευκόλυνση των σχεδιαστών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων RF. Παράλληλα, απεδείχθη ότι το PSi βελτιώνει πολύ την απόδοση των παθητικών διατάξεων RF (CPW, πηνία). Επιπλέον, για πρώτη φορά ολοκληρώθηκε κεραία πάνω σε PSi, δείχνοντας τα πλεονεκτήματά του και επεκτείνοντας το εύρος των διατάξεων που επωφελούνται από τη χρήση του.