Метод оптоэлектронной интеграции

Оптоэлектронныйметод интеграции

Интеграцияфотоникаи электроника является ключевым шагом в улучшении возможностей систем обработки информации, обеспечивая более высокую скорость передачи данных, более низкое энергопотребление и более компактные конструкции устройств, а также открывая огромные новые возможности для проектирования систем. Методы интеграции обычно делятся на две категории: монолитная интеграция и многочиповая интеграция.

Монолитная интеграция
Монолитная интеграция подразумевает изготовление фотонных и электронных компонентов на одной подложке, обычно с использованием совместимых материалов и процессов. Этот подход фокусируется на создании бесшовного интерфейса между светом и электричеством в пределах одного чипа.
Преимущества:
1. Уменьшение потерь на соединения: размещение фотонов и электронных компонентов в непосредственной близости минимизирует потери сигнала, связанные с соединениями вне кристалла.
2. Улучшенная производительность: более тесная интеграция может привести к более высокой скорости передачи данных за счет более коротких путей прохождения сигнала и снижения задержки.
3. Меньший размер: Монолитная интеграция позволяет создавать очень компактные устройства, что особенно полезно для приложений с ограниченным пространством, таких как центры обработки данных или карманные устройства.
4. Снижение энергопотребления: устранение необходимости в отдельных пакетах и ​​межсоединении на большие расстояния, что может значительно снизить требования к энергопотреблению.
Испытание:
1) Совместимость материалов: поиск материалов, которые поддерживают как высококачественные электроны, так и фотонные функции, может оказаться сложной задачей, поскольку им часто требуются разные свойства.
2. Совместимость процессов: интеграция различных производственных процессов электроники и фотонов на одной подложке без ухудшения характеристик какого-либо одного компонента является сложной задачей.
4. Сложное производство: Высокая точность, необходимая для электронных и фотонных структур, увеличивает сложность и стоимость производства.

Интеграция нескольких чипов
Такой подход обеспечивает большую гибкость в выборе материалов и процессов для каждой функции. В этой интеграции электронные и фотонные компоненты поступают из разных процессов, а затем собираются вместе и размещаются на общем корпусе или подложке (рисунок 1). Теперь давайте перечислим режимы соединения между оптоэлектронными чипами. Прямое соединение: этот метод включает в себя прямой физический контакт и соединение двух плоских поверхностей, обычно облегчаемое молекулярными силами связи, теплом и давлением. Он имеет преимущество простоты и потенциально очень низких потерь соединений, но требует точно выровненных и чистых поверхностей. Соединение волокна/решетки: в этой схеме волокно или массив волокон выравнивается и соединяется с краем или поверхностью фотонного чипа, позволяя свету входить и выходить из чипа. Решетка также может использоваться для вертикального соединения, повышая эффективность передачи света между фотонным чипом и внешним волокном. Сквозные кремниевые отверстия (TSV) и микровыступы: Сквозные кремниевые отверстия представляют собой вертикальные межсоединения через кремниевую подложку, что позволяет укладывать чипы в трех измерениях. В сочетании с микровыпуклыми точками они помогают достичь электрических соединений между электронными и фотонными чипами в многослойных конфигурациях, подходящих для интеграции высокой плотности. Оптический промежуточный слой: Оптический промежуточный слой представляет собой отдельную подложку, содержащую оптические волноводы, которые служат посредником для маршрутизации оптических сигналов между чипами. Он обеспечивает точное выравнивание и дополнительные пассивныеоптические компонентыможет быть интегрирована для повышения гибкости соединения. Гибридное соединение: эта передовая технология соединения объединяет прямое соединение и технологию микровыступов для достижения высокоплотных электрических соединений между чипами и высококачественными оптическими интерфейсами. Она особенно перспективна для высокопроизводительной оптоэлектронной совместной интеграции. Соединение припоем: подобно соединению перевернутым кристаллом, припойные выступы используются для создания электрических соединений. Однако в контексте оптоэлектронной интеграции особое внимание следует уделять предотвращению повреждения фотонных компонентов, вызванного тепловым напряжением, и поддержанию оптического выравнивания.

Рисунок 1: Схема соединения электронов/фотонов от чипа к чипу

Преимущества этих подходов значительны: поскольку мир КМОП продолжает следовать улучшениям в законе Мура, станет возможным быстро адаптировать каждое поколение КМОП или Би-КМОП на дешевый кремниевый фотонный чип, пожиная плоды лучших процессов в фотонике и электронике. Поскольку фотоника, как правило, не требует изготовления очень маленьких структур (типичные размеры ключей около 100 нанометров), а устройства по сравнению с транзисторами велики, экономические соображения будут подталкивать к производству фотонных устройств в отдельном процессе, отделенном от любой передовой электроники, необходимой для конечного продукта.
Преимущества:
1. Гибкость: различные материалы и процессы могут использоваться независимо друг от друга для достижения наилучшей производительности электронных и фотонных компонентов.
2. Зрелость процесса: использование зрелых производственных процессов для каждого компонента может упростить производство и снизить затраты.
3. Более простая модернизация и обслуживание: разделение компонентов позволяет легче заменять или модернизировать отдельные компоненты, не влияя на всю систему.
Испытание:
1. Потеря соединения: соединение вне кристалла приводит к дополнительной потере сигнала и может потребовать сложных процедур выравнивания.
2. Увеличение сложности и размера: отдельные компоненты требуют дополнительной упаковки и взаимосвязей, что приводит к увеличению размеров и потенциально более высоким затратам.
3. Более высокое энергопотребление: более длинные пути прохождения сигнала и дополнительная компоновка могут привести к увеличению требований к питанию по сравнению с монолитной интеграцией.
Заключение:
Выбор между монолитной и многокристальной интеграцией зависит от требований конкретного приложения, включая цели производительности, ограничения по размеру, соображения стоимости и технологическую зрелость. Несмотря на сложность производства, монолитная интеграция выгодна для приложений, требующих крайней миниатюризации, низкого энергопотребления и высокоскоростной передачи данных. Вместо этого 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. По мере развития исследований также изучаются гибридные подходы, которые объединяют элементы обеих стратегий, чтобы оптимизировать производительность системы, одновременно смягчая проблемы, связанные с каждым подходом.