Các mạch tích hợp quang điện tử ba chiều phức tạp ngày nay có thể dễ dàng được sản xuất nhờ vào kĩ thuật 'kẹp sandwich' hay còn gọi là kĩ thuật 'liên kết bánh kem xốp' (wafer bonding) do một nhóm các đơn vị nghiên cứu tại châu Âu tiến hành nghiên cứu và phát triển từ năm 2004.

Các mạch linh kiện quang tử

Các thiết bị quang tử (photonic devices) là các thành phần rất quan trọng trong hệ thống mạng viễn thông mà ở đó chúng thực hiện các chức năng giám sát, quản lý các luồng thông tin được truyền đi trên các sợi quang. Ngoài ra, các thiết bị quang tử còn có thể thực hiện các ứng dụng khác như giám sát ô nhiễm, đo kiểm từ xa, phẫu thuật và cả việc đọc các đĩa DVD.

Bằng các phương pháp tương tự như trong sản xuất các con chip điện tử, các thiết bị quang tử cũng được sản xuất ra dưới dạng các con chip quang tử nhờ việc tích hợp các linh kiện quang như các laser, các mạch dẫn sóng và các mạch thu. Một số mạch linh kiện này sử dụng các công nghệ thuần túy quang học tuy nhiên hầu hết trong số chúng đều là các mạch lai ghép bao gồm các linh kiện điện tử và quang tử tạo thành.

Theo Helmut Heidrich của Viện nghiên cứu viễn thông Fraunhofer thì « Vấn đề khó khăn hiện nay là khi độ phức tạp của các mạch linh kiện tăng lên thì việc sản xuất sẽ tiến đến đến giới hạn công nghệ hiện thời của nó». Trên thực tế, các linh kiện quang tử được làm từ các chất bán dẫn đặc biệt như gallium arsenide (GaAs) hay indium phosphide (InP) trong khi hầu hết các linh kiện điện tử được làm từ silicon. Xử lý hai vật liệu hoàn toàn khác nhau trên cùng một con chip là hết sức khó khăn và tốn kém.

Do vậy, thay vì việc sử dụng hai loại vật liệu bán dẫn trong cùng một công đoạn sản xuất, người ta có thể tiến hành xử lý tách biệt chúng thành hai phần riêng biệt mà mỗi phần được làm từ một loại vật liệu cơ bản rồi được ghép liên kết lại với nhau. Tháng 06/2004, một nhóm các nhà khoa học châu Âu đã chỉ ra rằng chính kĩ thuật ‘wafer bonding’có thể là một phương pháp hữu hiệu cho phép tạo ra các mạch quang tử đa tầng phức tạp. Các nghiên cứu từ đó đến nay trong dự án WAPITI đă đạt được một số kết quả ban đầu quan trọng.

Laser vi vòng (microring laser)

Để chứng tỏ tiềm năng của kĩ thuật ‘wafer bonding’, nhóm nghiên cứu WAPITI đã tiến hành sản xuất các bộ cộng hưởng tích cực vi vòng. Các vi vòng này thực chất hoạt động như các thiết bị lưu giữ năng lượng và là thành phần quan trọng nhất trong các laser vi vòng cho ra dải ánh sáng đầu ra rất rộng phục vụ cho truyền thông tốc độ cao. Chúng cũng là các linh kiện tiềm năng cho việc thực hiện các chức năng chuyển đổi bước sóng trong viễn thông quang học và các ứng dụng trong đời sống như chức năng giám sát phát hiện các chất sinh hóa học.

Sử dụng các màng đế InP và GaAs, nhóm nghiên cứu WAPITI đã tạo ra rất nhiều loại vi vòng có bán kính nhở đến cỡ 10 µm. Kĩ thuật tạo lớp đôi đã cho phép họ tạo ra các vi vòng có gắn với các thành phần dẫn sóng theo chiều đứng để thực hiện chức năng ghép sóng tín hiệu vào ra. So với kĩ thuật ghép sóng tín hiệu vào ra theo chiều ngang, kĩ thuật ghép sóng tín hiệu vào ra theo chiều đứng cho phép tạo ra các vi vòng nhỏ gọn hơn, cũng có nghĩa là tốc độ đáp ứng dữ liệu cao hơn. Các thử nghiệm tiến hành trên các laser vi vòng đó với bộ ghép phân chia theo tần số cho thấy tốc độ dữ liệu hoạt động có thể lên đến 7Gbit/s.

Thách thức lớn nhất trong kỹ thuật ’wafer bonding’ chính là việc căn chỉnh chính xác khi tiến hành ghép liên kết hai màng bán dẫn. Mỗi một màng bán dẫn đó có kích thước đủ rộng để chứa cỡ vài nghìn con chip nhưng các con chip được xử lý riêng biệt và chỉ được đóng gói trên màng bán dẫn đó ở các công đoạn hoàn thiện sau cùng. Với kích cỡ nhỏ nhất của các mạch điện tử hiện thời , cỡ 45 nano-mét (1 nano-mét tương đương 10 mũ -9 mét), thì việc căn chỉnh sao cho quá trình ghép liên kết hai màng được trùng khớp với nhau là yếu tố vô cùng quan trọng.

Việc đảm bảo sự chính xác về vị trí trên một màng bán dẫn đã là khó khăn nhưng sẽ càng khó khăn hơn khi hai màng bán dẫn được tạo ra riêng biệt được tiến hành ghép nối với nhau. Vật liệu khác nhau khiến cho tốc độ dãn nở vì nhiệt khác nhau nên chỉ một thay đổi về nhiệt độ trong quá trình nối ghép cũng có thể phá hỏng độ chính xác về vị trí của các vi linh kiện trên các màng bán dẫn đa mạch này.

Sử dụng thuật khắc chùm tia electron, nhóm nghiên cứu WAPITI đă đạt được kết quả khả quan trong việc căn chỉnh nối ghép hai màng bán dẫn InP và GaAs có đường kính cỡ 50 mm. Một phát triển trong tương lai là việc ghép nối những màng bán dẫn kích cỡ 50 mm này với các màng silicon có kích thước 300 mm. Để thực hiện được công việc khó khăn này, Heidrich tin rằng kĩ thuật tạo mặt nạ theo bước và lặp lại (step-and-repeat mashking technique) có thể được sử dụng thay thế cho kĩ thuật chế tạo các lớp tách riêng hiện thời.

Ứng dụng

Mặc dù dự án chưa đưa ra được sản phẩm cuối cùng đến người dùng nhưng Heidrich tin tưởng rằng các công nghệ đă được phát triển trong dự án WAPITI là rất có tiềm năng và có thể thương mại hóa được. Các nhóm nghiên cứu đang tìm kiếm một đối tác thương mại có ý định nâng cấp sản phẩm hiện thời của họ lên một mức hoàn thiện hơn.

Hiện giờ thì các laser vi vòng với mức công suất tối đa đầu ra cỡ 1 mW không phù hợp cho các ứng dụng của truyền thông khoảng cách xa - một ứng dụng đòi hỏi công suất đầu ra của laser cỡ từ 6 đến 30 mW. Tuy nhiên, Heidrich đặc biệt rất lạc quan tin rằng sản phẩm của nhóm có tiềm năng rất cao trong ứng dụng giám sát môi trường vì chất lượng các bộ cộng hưởng vi vòng này rất nhạy với các thay đổi ở bề mặt.

Dự án WAPITI có sự tham gia của nhiều nhóm nghiên cứu từ các nước Đức, Anh và Áo. Dự án bắt đầu từ tháng 06/2004 và kết thúc vào tháng 09/2007.

Thành Việt (theo ICT Results/ScienceDaily)