Оптоэлектронныйметод интеграции
Интеграцияфотоникаи электроника — ключевой шаг к расширению возможностей систем обработки информации, обеспечению более высокой скорости передачи данных, снижению энергопотребления и созданию более компактных устройств, а также открытию огромных новых возможностей для проектирования систем. Методы интеграции обычно делятся на две категории: монолитная интеграция и многокристальная интеграция.
Монолитная интеграция
Монолитная интеграция предполагает изготовление фотонных и электронных компонентов на одной подложке, как правило, с использованием совместимых материалов и процессов. Этот подход направлен на создание бесшовного интерфейса между светом и электричеством в рамках одного чипа.
Преимущества:
1. Сокращение потерь на соединения: размещение фотонов и электронных компонентов в непосредственной близости сводит к минимуму потери сигнала, связанные с соединениями вне кристалла.
2. Повышение производительности: более тесная интеграция может привести к более высокой скорости передачи данных за счет более коротких путей прохождения сигнала и уменьшения 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 межсоединений на больших расстояниях, 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 процессов производства 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. При такой интеграции электронные и фотонные компоненты изготавливаются в ходе различных технологических процессов, а затем собираются вместе и размещаются на общем корпусе или подложке (рис. 1). Теперь перечислим способы соединения оптоэлектронных чипов. Прямое соединение: этот метод предполагает прямой физический контакт и соединение двух плоских поверхностей, обычно за счёт молекулярных сил связи, тепла и давления. Преимущество этого метода заключается в простоте и потенциально очень низких потерях при соединении, но требует точно выровненных и чистых поверхностей. Соединение волокон с решёткой: в этой схеме волокно или массив волокон выравнивается и прикрепляется к краю или поверхности фотонного чипа, что позволяет вводить и выводить свет. Решётка 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 размещать чипы в трёх измерениях. В сочетании с микровыпуклыми точками они позволяют создавать электрические соединения между электронными и фотонными чипами в многослойных конфигурациях, подходящих для высокоплотной интеграции. 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 пассивные…оптические компонентыИнтеграция повышает гибкость соединений. Гибридное склеивание: Эта передовая технология склеивания сочетает в себе прямое склеивание и технологию микровыступов для достижения высокой плотности электрических соединений между кристаллами и высококачественных оптических интерфейсов. Она особенно перспективна для высокопроизводительной оптоэлектронной коинтеграции. Склеивание припоем: Подобно склеиванию перевернутым кристаллом, припойные столбики используются для создания электрических соединений. Однако в контексте оптоэлектронной интеграции особое внимание необходимо уделять предотвращению повреждения фотонных компонентов, вызванного тепловым напряжением, и поддержанию оптической юстировки.
Рисунок 1: Схема соединения электронно-фотонного кристалла с кристаллом
Преимущества этих подходов значительны: по мере того, как мир КМОП продолжает следовать за усовершенствованиями закона Мура, станет возможным быстро адаптировать каждое поколение КМОП или би-КМОП к дешёвым кремниевым фотонным чипам, используя преимущества лучших технологий фотоники и электроники. Поскольку фотоника, как правило, не требует изготовления очень маленьких структур (типичный размер ключей составляет около 100 нанометров), а сами устройства имеют большие размеры по сравнению с транзисторами, экономические соображения будут подталкивать к производству фотонных устройств в рамках отдельного процесса, отдельного от любой сложной 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 упаковка могут увеличить требования к энергопотреблению по сравнению с монолитной интеграцией.
Заключение:
Выбор между монолитной и многокристальной интеграцией зависит от требований конкретного приложения, включая требования к производительности, ограничения по размеру, соображения стоимости и зрелость технологии. Несмотря на сложность производства, монолитная интеграция выгодна для приложений, требующих предельной миниатюризации, низкого энергопотребления и высокоскоростной передачи данных. Многокристальная интеграция, напротив, обеспечивает большую гибкость проектирования и использует существующие производственные возможности, что делает её подходящей для приложений, где эти факторы перевешивают преимущества более тесной интеграции. По мере развития исследований также изучаются гибридные подходы, сочетающие элементы обеих стратегий, для оптимизации производительности системы и одновременного снижения проблем, связанных с каждым из подходов.
Время публикации: 08 июля 2024 г.