In-chip devices fabricated with nonlinear laser lithography deep inside silicon
Doğrusal olmayan lazer litografisi ile silisyum içerisinde yonga-içi aygıtların üretilmesi
- Tez No: 550511
- Danışmanlar: DOÇ. DR. FATİH ÖMER İLDAY, DR. ÖĞR. ÜYESİ ONUR TOKEL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 107
Özet
Fotonik elemanların elektronik elemanlarla aynı çip üzerinde birleştirilmesi, yeni nesil cihazlara yol açabileceği için oldukça arzu edilir. Bu yöndeki bir kısıtlama, yonga plakası yüzeyinde mevcut sınırlı alandır. Günümüzde, geleneksel üretim yöntemleri, cihaz imalatında yalnızca silisyum platformların en üst ince katmanını kullanmaktadır. Bu nedenle, yeni mimari tasarımlar gereklidir. Yüzeylere zarar vermeden silisyumun derinliklerinde işlevsel elemanlar oluşturmak, yonga plakasının tamamını erişime açacağından, elektronik-fotonik entegrasyonda alan darboğazını aşmak için umut verici bir yaklaşımdır. Lazerle yazılan cihazlar, cam ve polimer gibi çeşitli saydam malzemelerde gösterilmiştir. Odaklandığında, yüksek enerjili lazer darbeleri, doğrusal olmayan kırılmaya neden olabilir ve malzeme tarafından çevrelenmiş etkileşim bölgesinin yapısını değiştirebilir. Bu işlem, optik ara bağlantılar, optik dalga kılavuzları ve kuantum fotonik aygıtlar dahil olmak üzere çeşitli aygıtların üretimini mümkün kılar. Bununla birlikte, şimdiye kadar, benzer yaklaşımlar silisyumda başarılı olamadı. Bu tezde, silisyum içinde yüksek oranda kontrol edilebilir modifikasyonlar üretmek için doğrusal olmayan etkilerin kullanıldığı benzer bir üç-boyutlu etkinleştirme yöntemi gösterdik. Bu değişiklikleri yonga-içi elemanlar oluşturmak için yapıtaşları olarak kullandık. Yapı oluşumunu daha ayrıntılı olarak anlamak için basitleştirilmiş bir model geliştirdik ve karşı-yayılan ışınlar arasındaki doğrusal olmayan etkileşimin ışının özodaklanmasına neden olduğunu ve kristal yapısında bozulmaya yol açtığını tespit ettik. Bir sonraki atımın yayılması, daha önceden değiştirilmiş bölgenin odak noktalarını kaydırması ile, yeniden yapılandırılarak yapı daha da uzatılır. Bu uzatılmış yapılar Si içine gömülü kırınımlı optik elemanlar oluşturmak için gerekli faz kaymasını sağlayabilir. Bu kavramı, ikili ve gri tonlamalı Fourier hologramları ve üç boyutlu bir görüntü oluşturan dört katmanı yansıtan ikili Fresnel hologramı üreterek gösterdik. Ayrıca, gri tonlamalı Fresnel hologramları için bu algoritmayı daha da geliştirdik ve mümkün olan izdüşüm katmanlarını yaklaşık bin kat arttırdık. Ayrıca, şu ana kadar bildirilen en düşük kayıplarla silikon içinde optik dalga kılavuzları oluşturmak için yonga-içi değişiklikleri kullandık. Değişiklikleri kimyasal seçici bir şekilde oyarak ikinci bir uygulama grubu gösterdik. Bu yöntemle silisyumu, mikrosütunlar, Si-yolu ve mikroakışkan kanalları imal etmek için yonttuk. Dahası, yöntemi diğer yarı iletkenlere genişlettik ve GaAs'ın yüzey altını nanoyapılandırdık. Ayrıca Bessel ışınlarını ve 2 µm'luk lazer atımlarını kullanarak yeni işleme rejimlerinin olasılığını da araştırdık.
Özet (Çeviri)
The integration of photonic elements with electronic elements on the same chip is highly desirable, since it may lead to new generation of devices. One constraint in this direction is the limited space available on the wafer surface. Currently, conventional fabrication methods use only the top thin layer of the silicon platforms for device fabrication. Therefore, new architectural designs are necessary. Creating functional elements deep inside silicon without damaging the surfaces is a promising approach to overcome space bottleneck in electronic-photonic integration, since the bulk of the wafer can be utilized with this method. Laser-written devices have been demonstrated in various transparent materials, such as glasses and polymers. When focused, high energy laser pulses can induce nonlinear breakdown and change the morphology of the interaction region enclosed by the material. This process enables the fabrication of a diverse set of devices, including interconnects, optical waveguides and quantum photonic devices. However, so far, similar approaches didn't succeed in silicon. We demonstrated a similar enabling method inside silicon, where nonlinear effects were exploited to generate highly controllable modifications deep inside silicon. We used these modifications as building blocks to create in-chip elements. We developed a simple, intuitive model to understand the structure formation in more detail, which indicated that nonlinear interaction between counter-propagating beams causes the self-focusing of the beam, resulting in disruption in crystal structure. Propagation of the next pulses are reconfigured by the previously modified region. The focal point of the pulse shifts, elongating the structure further. These elongated structures can provide the necessary phase shift to build diffractive optical elements embedded in Si. We demonstrated this concept by fabricating binary and grayscale Fourier holograms and a binary Fresnel hologram projecting four layers forming a 3D image. We further developed that algorithm for greyscale Fresnel holograms and increased the possible numbers of projections layers three order of magnitude. Moreover, we used the in-chip modifications for creating optical waveguides inside silicon with the lowest losses reported so far. By selectively etching the modifications, we showed a second set of applications. We sculpted the silicon with this method to fabricate micropillars, through-Si vias and microfluidic channels. Further, we extended the method to other semiconductors and nanostructured the bulk GaAs. We also investigated the possibility of new processing regimes by using Bessel beams and 2 µm laser pulses.
Benzer Tezler
- Laser fabrication of in-chip multi-layer micro-channels
Lazer ile yonga-içi çok katmanlı mikro-kanal üretimi
MUHAMMAD AHSAN TAUSEEF
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. ONUR TOKEL
- Implementation of strong light-matter interaction for fabrication and light management of thin crystal silicon solar cells
İnce kristal silisyum güneş hücrelerinde üretim ve ışık yönetimi için yoğun ışık-madde etkileşimi uygulaması
MONA ZOLFAGHARI BORRA
Doktora
İngilizce
2021
Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALPAN BEK
- Ota-C osilatörlerinde ideal olmama problemi
Başlık çevirisi yok
UĞUR ÇAM
Yüksek Lisans
Türkçe
1996
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. H. HAKAN KUNTMAN
- Çok düzeyli statik bellek gözesi ve kohonen türü yapay sinir ağına uygulanması
Multiple valued static storage cell and its application to kohonen type neural network
NURETTİN YAMAN ÖZELÇİ
Doktora
Türkçe
1999
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. UĞUR ÇİLİNGİROĞLU
- Ai-enabled optimization of 3D-printed microneedles for simultaneous epidermal and dermal delivery
Eşzamanlı epidermal ve dermal ilaç teslimat için 3D baskılı mikroiğnelerin yapay zeka destekli optimizasyonu
MISAGH REZAPOUR SARABI
Doktora
İngilizce
2024
BiyomühendislikKoç ÜniversitesiBiyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SAVAŞ TAŞOĞLU
PROF. DR. METİN SİTTİ