Кремниевая фотоника: устранение разрыва в межкомпонентных соединениях чипов

Поскольку процессы производства чипов продолжают сокращаться, влияние межсоединений на производительность чипов становится все более значительным. Межсоединения действуют как внутренние «улицы» и «магистрали» в микроэлектронных устройствах, соединяя такие компоненты, как транзисторы, резисторы и конденсаторы. По мере уменьшения размеров чипов межсоединения должны становиться тоньше, но это сокращение расстояния может привести к паразитным эффектам, влияющим на производительность схемы. Распространенные материалы межсоединений, такие как алюминий, медь и углеродные нанотрубки, сталкиваются с физическими ограничениями. Однако кремниевая фотоника предлагает решение.

Кремниевая фотоника использует кремний в качестве оптической среды, используя лазерные лучи вместо электронных полупроводниковых сигналов для передачи данных. Это технология нового поколения, основанная на кремниевых подложках и подложках кремний-на-изоляторе (SOI), интегрированных с использованием существующих КМОП-процессов. Ключевое преимущество заключается в высокой скорости передачи данных, позволяющей передавать данные между ядрами процессора со скоростью до 100 раз быстрее, чем традиционные электронные соединения. Кроме того, кремниевая фотоника обеспечивает превосходную энергоэффективность, что делает ее перспективной полупроводниковой технологией.

Исторически кремниевая фотоника развивалась на пластинах КНИ, но их высокая стоимость и ограничения для различных фотонных функций побудили к исследованию альтернативных материалов. В настоящее время исследователи разработали новые материалы, такие как пленки LNO, InP, BTO, полимеры и плазменные материалы, для достижения еще более высоких характеристик. Кремниевая фотоника открывает большие перспективы для решения проблем межсоединений и развития полупроводниковых технологий.

Кремниевая фотоника, исследование и применение фотонных систем, использующих кремний в качестве оптической среды, стала основной технологией благодаря достижениям в области оптической связи. Несмотря на первоначальное представление о том, что процессы изготовления электронных устройств не могут напрямую интегрировать фотонику, недавние разработки опровергли это представление. Давайте выясним, почему нам повезло, что эти возможности теперь могут быть использованы для фотоники.

На самом деле прямое повторное использование не является простым. Попытки интегрировать фотонные функции в существующие КМОП или биполярные кремниевые пластины без внесения изменений в технологический процесс привели к получению неэффективных устройств. Электронные процессы адаптированы для производства электронных продуктов, что делает их малопригодными для создания конкурентоспособных фотонных продуктов. Даже если это осуществимо, экономическая жизнеспособность сомнительна. Чипы кремниевой фотоники требуют относительно примитивных возможностей обработки (около 90 нанометров) по сравнению с передовой микроэлектроникой (например, 16 нанометров). Попытка создать фотонику с использованием передовых микроэлектронных инструментов была бы непрактичной и экономически необоснованной. Нет никаких оснований ожидать, что интегрированные процессы, разработанные для электронных схем, будут легко сочетаться с компонентами, управляющими светом.

За последнее десятилетие кремний оказался отличным материалом не только для электронных устройств, но и для компонентов фотоники. Еще более удивительно то, что сообщество специалистов по кремниевой фотонике разработало процессы, которые позволяют повторно использовать инфраструктуру производства КМОП для создания сложных фотонных схем. Хотя полный интегрированный процесс производства транзисторов напрямую не используется повторно, модульные этапы можно перестроить и перепрофилировать для кремниевой фотоники. Несколько организаций продемонстрировали осуществимость этого подхода. Они используют материалы и технологии, разработанные за последние 50 лет в кремниевой микроэлектронике, для создания фотонных устройств и схем. Примечательно то, что во многих проектах одинаковое оборудование не просто используется в отдельных помещениях; они используют те же инструменты и средства, которые используются для создания обычных КМОП-транзисторов. Однако работа на этих объектах имеет существенные ограничения: непроверенные материалы, несовместимые с КМОП-процессами, запрещены, а при проектировании схем необходимо избегать повреждения или загрязнения инструментов. На более совершенных производственных предприятиях, совместимых с КМОП, затраты на наборы масок и разработку процессов могут быть непомерно высокими, особенно для передовых процессов.

Несмотря на эти проблемы, огромные инвестиции в строительство современных заводов по производству КМОП теперь могут принести прямую пользу кремниевой фотонике. Это открывает доступный и коммерчески жизнеспособный путь для крупномасштабного производства. Используя зрелую инфраструктуру полупроводниковой промышленности, кремниевая фотоника постепенно становится важнейшим мостом, соединяющим будущие приложения для высокоскоростной передачи данных, вычислений и датчиков.

Эволюция кремниевой фотоники

Кремниевая фотоника — это технология, которая использует кремний в качестве оптической среды для создания фотонных систем. Его история восходит к концу 1980-х - началу 1990-х годов, и на этом пути было несколько остановок и стартов. Тем не менее, в настоящее время она превратилась в видную область со значительным потенциалом.

В традиционных системах связи для различных компонентов используются разные материалы. Эти чипы часто содержат смесь материалов, таких как RF CMOS или биполярные процессы для широкополосных электронных устройств (например, сериализаторы и десериализаторы), высокомасштабированные CMOS или FPGA для цифровых компонентов (например, схемы управления), рассеянные волноводы на основе стекла для пассивных устройств. элементы, ниобат лития (LiNbO₃) для модуляторов, фосфид индия (InP) для лазеров, германий (Ge) для фотодетекторов и переключатели на основе МЭМС. Каждая система материалов выбирается для оптимизации производительности для конкретного типа устройства.

Однако специализированные производственные процессы для каждого компонента приводят к низкой производительности и высоким затратам. Устройства фотоники часто производятся в небольших количествах с использованием специального производственного оборудования, что делает их дорогими по сравнению с крупномасштабным производством электроники. Хотя дискретные компоненты фотоники можно соединить с помощью стандартных оптических волокон и разъемов, потери в стоимости и производительности в первую очередь связаны с процессами упаковки фотоники. Эти процессы требуют точного выравнивания (часто включающего 5- или 6-осевое выравнивание) на уровне субмикрометра, а иногда и герметизации или даже покрытия золотом.

Огромный потенциал кремниевой фотоники заключается в интеграции множества функций в одном корпусе. Используя те же производственные мощности, что и передовая микроэлектроника, становится возможным создавать гибридные чипы или стеки микросхем, в которых сосуществуют как оптические, так и электронные компоненты. Эта фундаментальная интеграция значительно снижает стоимость передачи данных по оптическим волокнам. Более того, это открывает возможности для новых приложений, позволяя создавать сложные системы по разумной цене.

Свет подается в фотонную схему через встроенные в кристалл лазеры или вертикальные оптические волокна, которые затем модулируют свет. Модулированный свет преобразуется фотодетекторами и инвертируется с помощью дополнительных схем КМОП. Кремниевые фотонные электронные схемы теперь поддерживают системы, состоящие из сотен или тысяч таких компонентов.

Приложения

Сложные кремниевые фотонные системы находят множество применений, наиболее распространенным из которых является передача данных. Сюда входит цифровая связь с высокой пропускной способностью для приложений на коротких расстояниях, сложные схемы модуляции для приложений на больших расстояниях и когерентная связь. Помимо передачи данных, как промышленность, так и научные круги изучают широкий спектр новых применений этой технологии. Эти приложения включают нанооптомеханику и физику конденсированного состояния, биосенсорство, нелинейную оптику, лазерные радиолокационные системы, оптические гироскопы, радиочастотно-интегрированную оптоэлектронику, интегрированные радиоприемопередатчики, когерентную связь, новые источники света, лазерное шумоподавление, газовые датчики, чрезвычайно длинноволновые интегрированные устройства. фотоника, высокоскоростная и микроволновая обработка сигналов и другие. Особенно многообещающие области включают биосенсорство, визуализацию, лазерный радар, инерционное зондирование, гибридные фотонно-радиочастотные интегральные схемы (RFIC) и обработку сигналов.

Передача данных

Среди различных категорий фотонных устройств кремниевые фотонные компоненты выгодно конкурируют со своими аналогами. Одним из наиболее революционных усилий в области оптической связи является создание интегрированных платформ, объединяющих модуляторы, детекторы, волноводы и другие компоненты на одном чипе, что позволяет им взаимодействовать друг с другом. В некоторых случаях в эти платформы также включены транзисторы, что позволяет интегрировать усиление, сериализацию и обратную связь на одном чипе. Из-за стоимости разработки таких процессов это начинание в первую очередь нацелено на приложения двухточечной передачи данных. Кроме того, из-за стоимости разработки процессов производства транзисторов в этой области сложился консенсус, что с точки зрения производительности и стоимости в обозримом будущем наиболее целесообразно интегрировать электронные устройства с использованием методов соединения на уровне пластины или чипа.

Возможность создавать чипы, способные выполнять вычисления с использованием электронных устройств и осуществлять оптическую связь, имеет большое значение. Наиболее ранние применения кремниевой фотоники были связаны с передачей цифровых данных. Это обусловлено фундаментальными физическими различиями между электронами (фермионами) и фотонами (бозонами). Электроны хорошо подходят для вычислений, поскольку два из них не могут одновременно находиться в одном и том же месте. Это сильное взаимное взаимодействие между электронами позволяет создавать крупномасштабные нелинейные переключающие устройства — транзисторы.

Фотоны обладают разными свойствами: множество фотонов могут сосуществовать в одном и том же месте одновременно и при особых условиях не мешают друг другу. Вот почему можно передавать триллионы бит данных в секунду по одному оптическому волокну: это не достигается путем создания одного потока данных с полосой пропускания в триллион бит.

Во многих регионах мира доминирующей парадигмой доступа является оптоволокно до дома (FTTH), хотя в США она еще не доказала свою правильность из-за конкуренции с DSL и другими технологиями. Поскольку спрос на полосу пропускания продолжает расти, потребность в более эффективной передаче данных по оптическим волокнам неуклонно растет. Широко распространенной тенденцией на рынке передачи данных является то, что по мере сокращения расстояний цена за единицу резко снижается, а количество увеличивается. Неудивительно, что коммерческие усилия в области кремниевой фотоники в значительной степени сосредоточены на приложениях с высокой производительностью и малыми расстояниями, нацеленных на центры обработки данных и высокопроизводительные вычисления. Будущие приложения будут включать в себя межплатные и USB-соединения на короткие расстояния и, в конечном итоге, возможно, даже межъядерную связь внутри процессоров, хотя последнее остается спекулятивным для внутрикристальных межъядерных приложений. Хотя кремниевая фотоника еще не достигла масштабов КМОП-индустрии, она уже стала важной областью.

Волноводы и пассивные компоненты

В кремниево-совместимых системах были разработаны волноводы различной геометрии. Почти все прозрачные материалы с показателями преломления выше, чем у стекла, можно наносить на подложки из диоксида кремния для формирования волноводов. Однако для достижения совместимости с КМОП-процессами промышленность сошлась на нескольких геометрических формах. Наиболее распространенным является волновод высокой согласованности, изготовленный из слоя активного устройства из пластин кремний-на-изоляторе (КНИ). Этот тип волновода может быть полностью протравлен до нижнего оксидного слоя или частично протравлен (с использованием синхронизированных процессов).

Снижение потерь в этих субмикронных волноводах до приемлемого уровня потребовало многих лет усилий. Сильное взаимодействие оптического поля с боковыми стенками приводит к значительным потерям из-за шероховатости поверхности. Потери на распространение можно минимизировать, оптимизируя процесс сглаживания боковых стенок или регулируя геометрию волновода для уменьшения модальной напряженности поля на боковых стенках. Другие критические пассивные компоненты, такие как решетчатые соединители, распределенные брэгговские решетки, волноводные пересечения и массивные волноводные решетки (AWG), также продемонстрировали очень низкие потери в каждом случае. Недавно появились КМОП-совместимые волноводы, изготовленные на технологическом этапе с использованием нитрида кремния. Эти волноводы демонстрируют очень низкие потери (<0.1 дБ/м), но их совместимость с входными активными устройствами остается открытым вопросом из-за необходимости выращивания при высоких температурах. Примечательно, что значительный прогресс был достигнут в области кремниевых волноводов с низкими потерями. Однако производство совместимых высокоскоростных модуляторов и детекторов на этих платформах представляет собой серьезные проблемы, что делает крупномасштабную интеграцию менее оптимистичной. Одной из проблем, с которыми сталкивается технология кремниевой фотоники, является оптическая связь между чипами и оптическими волокнами, что требует экономически эффективных методов упаковки.

Обычно это достигается с помощью краевых соединителей или решетчатых соединителей, как показано на рисунке. Доказано, что оба метода имеют потери ниже 1 дБ на интерфейс. Управление поляризацией также является проблемой, поскольку кремниевые фотонные волноводы по своей сути обладают сильным двойным лучепреломлением, а это означает, что константы распространения для двух разных поляризаций света в волноводе различны. Обычной практикой является создание схем с использованием одной поляризации и копирование этих схем, когда необходимы обе поляризации. Этот подход, известный как разнесение поляризации, использует преимущества соединителей с поляризационно-разделительной решеткой, разделителей поляризации, вращателей поляризации или других связанных компонентов. Другие методы исследовали использование прямоугольных волноводов для уменьшения двойного лучепреломления, но эти подходы накладывают значительные конструктивные ограничения.

модулятор

Достижение модуляции в кремнии обычно достигается за счет эффекта плазменной дисперсии, когда изменения плотности свободных носителей вызывают изменения показателя преломления и модулируют свет. В однокристальных устройствах реализовано несколько различных механизмов управления плотностью свободных носителей. Среди них устройства с режимом истощения несущей на основе PN-переходов с обратным смещением широко используются для высокоскоростной работы.

С тех пор, как команда Intel впервые продемонстрировала кремниевые модуляторы ГГц, показатели производительности модуляторов значительно улучшились. Структура интерферометра Маха-Цендера (MZI) обычно используется для амплитудной модуляции. На рисунке ниже показан пример модулятора MZI.

Резонансные структуры можно использовать для существенного уменьшения размеров устройства и дальнейшего снижения энергопотребления, хотя это существенно сужает окно рабочих длин волн и повышает тепловую чувствительность. Высокоскоростные кольцевые модуляторы продемонстрировали работу на скоростях до 40 Гбит/с и обладают возможностями тепловой настройки. На рисунке показан пример кольцевого модулятора. Недавние разработки включают преодоление ограничения времени жизни резонаторных фотонов посредством связанной модуляции и использование кольцевых модуляторов для создания передатчиков с мультиплексированием по длине волны (WDM).

Помимо растворов на основе чистого кремния, в платформы Si можно интегрировать и другие материалы. Например, эффективные модуляторы электропоглощения можно создать путем связывания материалов III/V, эпитаксиального выращивания германия или инкапсуляции графена. Химически разработанные активные электрооптические полимеры также были внедрены в щелевые волноводы и фотонные кристаллы на платформах Si для создания эффективных фазовращателей. Интеграция новых материалов с кремнием, будь то посредством постобработки или различных методов упаковки для адаптации новых материалов к литейным производствам КМОП, становится активной областью кремниевой фотоники. Эти методы, как правило, связаны со сложными производственными процессами и могут быть ограничены специализированными приложениями с очень специфическими требованиями высокого класса.

фотоприемников

В качестве среды обнаружения (поглощения) в рабочем диапазоне длин волн кремниевых фотонных чипов необходимо использовать материалы с более узкой запрещенной зоной, чем Si. Германий (Ge) можно выращивать эпитаксиально, и он поглощает свет на длинах волн связи. Хотя это важно для совместимости со стандартной инфраструктурой, это не является строго необходимым для приложений на коротких расстояниях, где оба конца канала могут быть определены без соблюдения стандартов совместимости. Для фотодетектирования также использовались связующие материалы III-V. Эти материалы тесно интегрированы или напрямую соединены рядом с кремниевыми волноводами, что позволяет направленному свету попадать в фотодетектор через затухающую или фасеточную связь, а фотодетектор может иметь небольшое поперечное сечение для уменьшения емкости устройства и повышения скорости.

Новейший технологический уровень фотодетекторов Ge, выполненных в виде фотодиодов, обеспечивает полосу пропускания 120 ГГц и чувствительность 0.8 А/Вт. На частоте 20 ГГц и длине волны 1550 нм была продемонстрирована чувствительность 1.05 А/Вт, что эквивалентно квантовой эффективности 84%. На рис. 7 показан пример германиевого фотодетектора. В фотодетекторных устройствах с квантовой эффективностью 90% и полосой пропускания 40 ГГц была достигнута чрезвычайно низкая емкость фотодетектора 2.4 фФ.

Одной из основных проблем платформ кремниевой фотоники является отсутствие встроенных источников света. В настоящее время создание кремниевых фотонных чипов основано на использовании внешнего лазерного взаимодействия. Хотя краевые и решетчатые соединители имеют улучшенную эффективность связи, отсутствие встроенных источников света ограничивает потенциальное применение этих чипов.

Для решения проблемы источника света было предложено несколько методов, о которых я кратко расскажу здесь. Гибридные кремниевые лазеры были разработаны путем переноса материалов III-V на кремниевые пластины с использованием склеивания и эпитаксиального выращивания. Однако эти методы сталкиваются с ограничениями из-за несовместимости материалов III-V со стандартными КМОП-процессами, а также высокой стоимости и низкого выхода соединения, а также небольших доступных размеров пластин III/V. Ge (германий), несмотря на его ограниченную эффективность излучения света из-за непрямой запрещенной зоны, был предложен в качестве усиливающей среды, совместимой с КМОП. Небольшую (134 мэВ) разницу между непрямой и прямой запрещенной зоной можно преодолеть с помощью деформационной инженерии и сильного легирования n-типа. Лазеры с электрическим приводом, использующие Ge в качестве усиливающей среды, были проверены на Si.

В настоящее время все рыночные продукты используют более традиционные методы. Эти методы включают в себя источники света, не встроенные в кристалл, подключенные через оптические волокна к кремниевым чипам, и лазеры, встроенные в тот же корпус, что и кремниевые фотонные чипы. Эти методы интеграции, зародившиеся в области МЭМС, используют технологию микроупаковки, которая является экономически эффективной и высокоразвитой.

Методы фотонно-электронной интеграции

Интеграция фотоники и электроники является решающим шагом в расширении возможностей систем обработки информации. Это обеспечивает более высокую скорость передачи данных, более низкое энергопотребление и более компактную конструкцию устройств, открывая значительные новые возможности для проектирования систем. Методы интеграции обычно делятся на две категории: интеграция одного чипа и интеграция нескольких чипов.

Однокристальная интеграция. Однокристальная интеграция предполагает производство фотонных и электронных компонентов на одной подложке, обычно с использованием совместимых материалов и процессов. Этот подход в первую очередь направлен на создание бесшовных интерфейсов между светом и электричеством в рамках одного чипа.

Преимущества:

Снижение потерь при межсоединении: размещение фотонных и электронных компонентов близко друг к другу сводит к минимуму потери сигнала, связанные с соединениями внешних чипов.

Улучшенная производительность: более тесная интеграция приводит к более высокой скорости передачи данных, поскольку более короткие пути прохождения сигнала уменьшают задержку.

Меньшая занимаемая площадь: интеграция одного кристалла позволяет создавать очень компактные устройства, что особенно полезно для приложений с ограниченным пространством, таких как центры обработки данных или портативные устройства.

Снижение энергопотребления. Устранение необходимости в отдельном корпусе и междугородных соединениях значительно снижает требования к электропитанию.

Проблемы:

Совместимость материалов. Поиск материалов, которые поддерживают как высококачественную электронику, так и фотонную функциональность, может быть сложной задачей, поскольку они часто требуют разных свойств.

Совместимость процессов. Интеграция различных производственных процессов электроники и фотоники на одной подложке без ущерба для производительности любого компонента — сложная задача.

Сложное производство. Высокая точность, необходимая как для электронных, так и для фотонных структур, усложняет и увеличивает стоимость производственных процессов.

Многочиповая интеграция

Такой подход обеспечивает большую гибкость при выборе материалов и процессов для каждой функции. При многочиповой интеграции электронные и фотонные компоненты создаются в результате разных процессов, а затем собираются вместе, помещаясь на общий корпус или подложку. Давайте теперь рассмотрим методы соединения, используемые между оптоэлектронными чипами:

Прямое склеивание: этот метод подразумевает прямой физический контакт и склеивание двух плоских поверхностей, обычно облегчаемое молекулярными связями, теплом и давлением. Он обеспечивает простоту и потенциально очень низкие потери соединений, но требует точного выравнивания и чистых поверхностей.

Соединение волокна/решетки. В этой схеме оптические волокна или массивы волокон выравниваются и прикрепляются к краям или поверхностям фотонных чипов, позволяя свету проходить внутрь чипа и выходить из него. Решетки также можно использовать для вертикальной связи, улучшая передачу света между фотонным чипом и внешними волокнами.

Кремниевые сквозные отверстия (TSV) и микровыступы: TSV обеспечивают вертикальные межсоединения через кремниевую подложку, позволяя укладывать чипы в трех измерениях. В сочетании с микровыступами они облегчают электрические соединения между электронными и фотонными чипами в многоуровневых конфигурациях, подходящих для интеграции с высокой плотностью.

Оптический интерпозер: оптический интерпозер представляет собой независимую подложку, содержащую оптические волноводы, служащую посредником для маршрутизации световых сигналов между чипами. Он обеспечивает точное выравнивание и позволяет интегрировать дополнительные пассивные оптические компоненты, повышая гибкость подключения.

Гибридное соединение: этот передовой метод соединения сочетает в себе прямое соединение и технологию микровыступов для достижения высокой плотности электрических соединений между чипами и высококачественными оптическими интерфейсами. Он обещает обеспечить высокопроизводительную оптоэлектронную коинтеграцию.

Соединение припоем. Подобно соединению перевернутых кристаллов, выступы припоя используются для создания электрических соединений. Однако в контексте оптоэлектронной интеграции необходимо проявлять особую осторожность, чтобы избежать теплового повреждения фотонных компонентов и поддерживать оптическое выравнивание.

Преимущества этих методов значительны. Поскольку мир КМОП продолжает следовать усовершенствованиям закона Мура, появится возможность быстро адаптировать каждое поколение КМОП или Би-КМОП к недорогому кремниевому фотоническому чипу, получая преимущества оптимальных процессов как для фотоники, так и для электроники. Поскольку фотоника обычно не требует производства чрезвычайно маленьких структур (типичные критические размеры составляют около 100 нанометров), а устройства намного больше по сравнению с транзисторами, экономические соображения будут способствовать отдельному производству фотонных устройств в рамках специального процесса, отдельного от любой современной электроники. необходимые для конечного продукта.

Преимущества:

Гибкость: независимое использование различных материалов и процессов для достижения оптимальных характеристик электронных и фотонных компонентов.

Зрелость процесса. Использование зрелых производственных процессов для каждого компонента может упростить производство и снизить затраты.

Упрощение модернизации и обслуживания. Разделение компонентов позволяет упростить замену или модернизацию отдельных деталей, не затрагивая всю систему.

Проблемы:

Потери межсоединения. Внешние соединения микросхем приводят к дополнительным потерям сигнала, что потенциально требует сложных процедур выравнивания.

Повышенная сложность и размер. Отдельные компоненты требуют дополнительной упаковки и межсоединений, что приводит к увеличению размеров и потенциально более высоким затратам.

Более высокое энергопотребление: более длинные пути прохождения сигнала и дополнительная упаковка могут увеличить требования к питанию по сравнению с однокристальной интеграцией.

Заключение

Выбор между однокристальной интеграцией и многокристальной интеграцией зависит от конкретных требований приложения, включая цели производительности, ограничения по размеру, соображения стоимости и технологическую зрелость. Хотя однокристальная интеграция более сложна в производстве, она выгодна для приложений, требующих экстремальной миниатюризации, низкого энергопотребления и высокоскоростной передачи данных. Напротив, многокристальная интеграция обеспечивает большую гибкость проектирования и использует существующие производственные возможности, что делает ее подходящей для приложений, где эти факторы перевешивают преимущества более тесной интеграции. Текущие исследования изучают гибридные подходы, которые объединяют элементы обеих стратегий для оптимизации производительности системы, одновременно смягчая проблемы, связанные с каждым методом.