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美高校采用现代CMOS工艺将光子与电子器件集成到单个硅芯片

近日,美国麻省理工学院等高校开发了一种新的制造工艺,采用现代互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺,而非传统的CMOS工艺,在硅衬底上实现光子器件与电子器件集成到一起,新技术允许将光通信器件添加到现有的芯片上,而仅需对原有设计进行微调。新的研究成果刊登到最新一期(4月18日)的国际知名学术期刊《自然》杂志上。


研究背景

两年半前,在美国国防先期研究计划局(DARPA)部分资助下,由美国麻省理工学院、加州大学伯克利分校和波士顿大学领导的研究团队宣布了一项里程碑:仅采用传统的CMOS制造工艺将电子器件与光子器件集成到同一芯片上,实现了硅基微处理器的制造。


然而,研究人员的方法要求芯片上的电子器件与光子器件构建在相同的硅层上,这意味着依靠传统的CMOS技术时,需要电子器件的硅层足够厚,以集成光学器件。


新技术成果

近日,同样由麻省理工学院、加州大学伯克利分校和波士顿大学领导的18位研究人员组成的团队报告了另一项重大突破:独立集成片上光子器件和电子器件的技术,使得可以采用更加现代的晶体管技术。同样,该技术仅需要使用现有的CMOS制造工艺来实现。


除了用于执行计算的数百万晶体管之外,研究人员开发的新芯片还包括光通信所需的所有器件:调制器、波导、谐振器和光电探测器,采用在晶体管旁边制造的氧化硅岛上沉积一层多晶硅实现。


相比之下,集成光子器件的早期工作涉及晶片键合,其中单个大的硅晶体熔合到沉积在一个单独芯片顶部的玻璃层上。而新的研究成果能够在玻璃上直接沉积不同厚度的硅,必须同由许多小硅晶体组成的多晶硅相结合。


由于新工艺使用多晶硅,因此存在折衷情况。单晶硅对于光子技术和电子技术都很有用,但对于多晶硅,则在光学效率和电效率之间存在折衷。大晶体多晶硅在导电方面效率很高,但大晶体倾向于散射光线,从而降低光学效率。小晶体多晶硅散射的光线较少,但不是一个好的导体。


利用纽约州立大学纳米科学与工程学院的制造设施,研究人员尝试了一系列用于多晶硅沉积的工艺方法,改变所用原料硅的类型、加工温度和时间,最后他们找到了一种能在电子和光学特性之间提供最佳折衷的方法。


重大意义

麻省理工学院电子研究实验室的研究科学家、新研究成果的三位第一作者之一Amir Atabaki表示:“这项工作最有前途的事情是可以分别优化电子器件和光子器件,我们拥有不同的硅电子技术,如果我们能够在这些技术基础上增加光子技术,这将为未来通信和计算芯片提供强大能力。例如,现在我们可以想象像英特尔这样的微处理器制造商或像Nvidia这样的图形处理器(GPU)制造商会说,‘新技术非常好,我们现在可以为我们的微处理器或GPU提供光子输入和输出’,而且他们在改进片上光学性能的过程中不必做太多改变。”


从电子通信向光通信的转变对芯片制造商很有吸引力,因为光通信可以显著提高芯片的速度并降低功耗,随着芯片晶体管数量的持续增加,这一优势将变得越来越重要:美国半导体行业协会(SIA)估计,按目前的增长速度计算,到2040年,计算机的功率需求将超过世界总发电量。


将光子器件和电子器件集成在同一芯片上可进一步降低功耗。目前市场上销售的光通信器件功耗太大,并产生太多的热量,因此会被集成到微处理器等电子芯片中。例如,商用光调制器消耗的功率是内置研究人员新芯片的调制器的10到100倍,并占用了10到20倍的芯片空间,这是因为将电子和光子器件集成到同一芯片上的新方法使Atabaki及其同事能够使用更节省空间的环形调制器设计。


Atabaki解释说:“我们可以使用光子体系结构。通常来讲,如果没有集成电子器件,就无法使用光子体系结构。例如,由于控制和稳定谐振器需要相当大的电子能力,现在已经没有使用光学谐振器的商业光学收发器。”

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