Оптоэлектронныйметод интеграции
Интеграцияфотоникаи электроника является ключевым шагом в улучшении возможностей систем обработки информации, обеспечивая более высокую скорость передачи данных, более низкое энергопотребление и более компактную конструкцию 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 предполагает производство фотонных и электронных компонентов на одной подложке, обычно с использованием совместимых материалов и процессов. Этот подход направлен на создание бесшовного интерфейса между светом и электричеством в одном чипе.
Преимущества:
1. Уменьшите потери межсоединений. Размещение фотонов и электронных компонентов в непосредственной близости сводит к минимуму потери сигнала, связанные с соединениями вне кристалла.
2. Улучшенная производительность: более тесная интеграция может привести к увеличению скорости передачи данных благодаря более коротким путям прохождения сигнала и уменьшению 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 портативные устройства.
4. Уменьшите энергопотребление: устраните необходимость в отдельных пакетах и междугородных соединениях, что может значительно снизить требования к питанию.
Испытание:
1) Совместимость материалов. Поиск материалов, которые поддерживают как высококачественные электроны, так и фотонные функции, может быть сложной задачей, поскольку они часто требуют разных свойств.
2. Совместимость процессов: интеграция различных производственных процессов электроники и фотонов на одной подложке без ухудшения производительности какого-либо отдельного компонента является сложной задачей.
4. Сложное производство. Высокая точность, необходимая для электронных и фотонных структур, увеличивает сложность и стоимость производства.
Многочиповая интеграция
Такой подход обеспечивает большую гибкость при выборе материалов и процессов для каждой функции. При такой интеграции электронные и фотонные компоненты получаются в результате разных процессов, затем собираются вместе и помещаются в общий корпус или подложку (рис. 1). Теперь перечислим режимы связи между оптоэлектронными чипами. Прямое соединение: этот метод включает в себя прямой физический контакт и соединение двух плоских поверхностей, чему обычно способствуют силы молекулярной связи, тепло и давление. Его преимуществом является простота и потенциально очень низкие потери в соединениях, но он требует точно выровненных и чистых поверхностей. Соединение волокна/решетки. В этой схеме волокно или массив волокон выравнивается и прикрепляется к краю или поверхности фотонного чипа, позволяя свету проходить внутрь чипа и выходить из него. Решетку также можно использовать для вертикальной связи, 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, позволяющие укладывать чипы в трех измерениях. В сочетании с микровыпуклыми точками они помогают обеспечить электрические соединения между электронными и фотонными чипами в многоуровневых конфигурациях, подходящих для интеграции с высокой плотностью. Оптический промежуточный слой: Оптический промежуточный слой представляет собой отдельную подложку, содержащую оптические волноводы, которые служат посредником для маршрутизации оптических сигналов между чипами. Это обеспечивает точное выравнивание и дополнительные пассивныеоптические компонентыможет быть интегрирован для повышения гибкости подключения. Гибридное соединение. Эта передовая технология соединения сочетает в себе прямое соединение и технологию микровыступов для достижения высокой плотности электрических соединений между чипами и высококачественными оптическими интерфейсами. Это особенно перспективно для высокопроизводительной оптоэлектронной коинтеграции. Соединение припоем. Подобно соединению перевернутых кристаллов, выступы припоя используются для создания электрических соединений. Однако в контексте оптоэлектронной интеграции особое внимание необходимо уделять предотвращению повреждения фотонных компонентов, вызванному тепловым стрессом, и поддержанию оптической юстировки.
Рисунок 1: Схема электронно-фотонного соединения чип-чип.
Преимущества этих подходов значительны: поскольку мир КМОП продолжает следовать усовершенствованиям закона Мура, появится возможность быстро адаптировать каждое поколение КМОП или Би-КМОП к дешевому кремниевому фотонному чипу, пожиная плоды лучших процессов в мире. фотоника и электроника. Поскольку фотоника, как правило, не требует изготовления очень маленьких структур (типичный размер ключей около 100 нанометров), а устройства велики по сравнению с транзисторами, экономические соображения будут способствовать производству фотонных устройств в отдельном процессе, отдельном от любых передовых технологий. электроника, необходимая для конечного продукта.
Преимущества:
1. Гибкость: различные материалы и процессы могут использоваться независимо для достижения наилучших характеристик электронных и фотонных компонентов.
2, зрелость процесса: использование зрелых производственных процессов для каждого компонента может упростить производство и снизить затраты.
3. Более простое обновление и обслуживание: разделение компонентов позволяет легче заменять или модернизировать отдельные компоненты, не затрагивая всю систему.
Испытание:
1, потеря межсоединения: внешнее соединение приводит к дополнительной потере сигнала и может потребовать сложных процедур выравнивания.
2. Повышенная сложность и размер. Отдельные компоненты требуют дополнительной упаковки и межсоединений, что приводит к увеличению размеров и потенциально более высоким затратам.
3. Более высокое энергопотребление: более длинные пути прохождения сигнала и дополнительная упаковка могут увеличить требования к питанию по сравнению с монолитной интеграцией.
Заключение:
Выбор между монолитной и многочиповой интеграцией зависит от требований конкретного приложения, включая цели производительности, ограничения по размеру, соображения стоимости и зрелости технологии. Несмотря на сложность производства, монолитная интеграция выгодна для приложений, требующих предельной миниатюризации, низкого энергопотребления и высокоскоростной передачи данных. Вместо этого интеграция нескольких микросхем 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, сочетающие в себе элементы обеих стратегий, для оптимизации производительности системы и одновременного смягчения проблем, связанных с каждым подходом.
Время публикации: 08 июля 2024 г.