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光子学未来可期,集成硅光子时代还远吗?

导读: 远距离通信和数据中心是光子元件的大买家,这使得技术快速发展,并打开了新的市场,提供了新的机遇。该行业要适应满足其要求并解决集成硅光子学设计、开发和制造中的瓶颈。

远距离通信和数据中心是光子元件的大买家,这使得技术快速发展,并打开了新的市场,提供了新的机遇。该行业要适应满足其要求并解决集成硅光子学设计、开发和制造中的瓶颈。

Luxtera产品营销总监Brian Welch说:你看云计算、搜索和社交网络中用到的带宽,它们都运行大数据中心,而且都消耗大量的带宽,远远超过所有其它市场之和。下一个可以与之媲美的是无线电5G的推出

但集成硅光子学不仅仅是带宽了,它可以从根本上改变一些计算概念。行业刚看到这一可能。

硅的重要性

过去,光子器件是由专业晶圆厂制造的,通常基于磷化铟(InP)。Inphi的首席技术官Radha Nagarajan表示:硅已经可以使公司进行更大尺寸(晶圆)制造。硅片使用8英寸或12英寸晶圆(200mm或300mm),而InP采用3英寸或最多4英寸晶圆(100mm)。两者的制造规格不同。硅也使用制造工艺,如注入(implant)。这在硅光子学中很常用,但在InP并不常见,在InP中,通常通过蚀刻来形成某些结构,然后进行钝化。

Luxtera公司的Welch指出,除了成本低廉,硅光子技术的产量也非常高。他说:如果使用CMOS代工,它们的产量是无可比拟的。过去,缓慢的生产推迟了光学方案的使用。

300mm的另一个优势是代工厂更有可能使用先进的制造技术。Welch说:虽然光学不需要很好的光刻技术,但这并没有坏处。与晶体管相比,这些结构较大,而且大多光学结构有无限的带宽,所以它们不需要像缩小CMOS那样缩小尺寸来提高速度。

图1:集成光子学。 来源:Luxtera

事实上,对光学来讲讨论节点并没有意义。Nagarajan指出:光子的波长比电子的要大得多。这也是为什么电子产品可以进入7nm节点,而标准硅光子器件是130nm或180nm节点,而且通常使用245nm光刻线。光学器件不同于电子器件,它们的相位较为敏感,侧壁粗糙度和损耗很重要。当这些成为重要因素时,重要的将不是节点,而是更大尺寸但更精准的节点下,光刻和蚀刻的质量。

你可能不想使用7nm节点,但7nm的开发商可能会使你动摇。Cadence的杰出工程师Gilles Lamant指出:我们在减小小尺寸门的线粗糙度方面取得的所有进展都是可行的。代工厂正在光子工艺的产量和控制方面进行投资。你会发现,当你听到GlobalFoundries说他们正在将其平台转向更大或更现代的晶圆厂时,这不仅意味着晶圆里更多的裸片,而且意味着他们的目标是更先进且能更好地进行控制的设备。

现在的问题是光子不使用传统的CMOS工艺,这限制了愿意制造(光子)器件的代工厂的数量。Welch说:你想使用代工厂中中现有的所有工具,我们希望产生尽可能少的偏差。我们不想要一个特殊的生产链或特殊的工具,而希望我们的晶圆和先进的CMOS走一样的流程。这样我们才可以获取理想的成本和规模。这个技术有很多的工作要做,看起来简单,但很具有挑战性。

还有一些挑战。Nagarajan提出了一个大的挑战:“你需要锗作为探测器,纯锗的生长仍然是一个挑战。”

集成

集成是数据中心的驱动程序。Welch说:集成非常重要,因为它可以降低成本。当你优化成本或功耗时,你需要集成更多。这样就接近switch直到最终在临界点里并达到最大密度。这对铜来说也是一样的,过去它有分立的物理层,随着时间的推移,它们在switch的支持下以更高的密度集成。光学领域也会是这样。

在光子学中有两种典型的集成方法,第一种使用混合die,它有CMOS裸片上的光子元件,所以CMOS晶体管和光子元件在同一衬底上。这是Luxtera采用的方法。然而,大多数人仍然在做多芯片设计,它有一个光子裸片和一个电子CMOS 裸片]。

西门子公司Mentor定制IC设计组的产品营销经理Chris Cone说:光子芯片的制造成本总体看来较低。它们是在较低的技术节点(如130nm或65nm)下产生的,光子芯片的尺寸通常更大,这意味着它们可以倒装连接(flip-bonded),在其顶部连接一个CMOS芯片。在这个方面我们看到了很大的进展。想象一下,CMOS芯片被倒装在光子芯片的顶部,而且这个芯片有点大,可以将它用作插入器。然后你需要访问CMOS芯片,这需要采用某种形式的硅通孔(through-silicon vias (TSV))来获得电信号。

还有一个大的问题是激光本身,EV集团业务发展副总裁Martin Eibelhuber说:一个主要问题是有源光学元件的集成通常是基于化合物半导体的激光器。硅基器件无法满足这些激光器的性能,所以需要异质材料集成,这对标准CMOS设备来说并不常见。直接晶圆连接已被证明是结合不同材料的极佳方法,以低成本实现高质量集成。由于几何约束,全硅晶圆连接方法对于硅光子学不是最佳选择,所以开发了利用等离子体激活的直接连接的集体芯片转移工艺。

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