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摩尔隧道尽头有光线

第一部分是两个部分:新材料、更小的几何结构和新颖的半导体结构已经成功地让摩尔定律继续推动了几十年,但所有这些解决方案都有一个无法克服的物理限制。需要根本性的改变。

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电子是缓慢的,笨拙的,很容易分心。它们之所以慢是因为现在一个信号穿过芯片的时间比时钟信号的周期要长。当它们与其他原子碰撞时,它们通常不是沿直线运动。相邻信号之间的电磁干扰会干扰它们正在传输的信息。

另一方面,光没有这些问题。它以光速传播,可以穿过另一束光的路径,不容易受到外界干扰。唯一的问题是,相比之下,电子很便宜,很容易被引导去做你想做的事,我们在这方面有几十年的经验。

直到20世纪80年代,电话系统还使用铜线作为长途线路。虽然光纤原理早在100多年前就已为人所知,但直到康宁公司成功降低了光纤的衰减水平,光纤才成为可用的金属线替代品。这些优势是如此深远,以至于没过多久,所有用于长途通信的铜都被取代了。从那时起,半导体行业就希望在芯片之间使用光学互连,但在采用上存在着重大的技术和经济障碍。我们可能很快就会发现,这种情况将不复存在。

在数据中心的设备机架之间的连接上增加了关注。如今,正在使用Cat-5或共轴铜,但带宽的增加是必要的,并且变得更加难以实现。甲骨文首席技术师A.V.Krishnamoorthy最近说,在五年内,他预计所有服务器连接都基于25克或更高的光子的光子。此外,它们期望使用光子学的晶片刻度服务器作为互连。

硅光子学将变得至关重要,因为目前在一个20mm × 20mm的区域内只能容纳20mm × 20mm的材料。“但使用硅光子学,你可以去掉很多嵌入式内存,提高处理能力,从而可以更快地访问内存。背板变成了一个电力传输系统。你不用担心成百上千的塞德斯。”

尽管如此,通过光子迷宫的路径乱扔困难,因为一些选择存在一些艰难的依赖性,所以必须进行困难的选择。

两条路径
目前业界对于实现基于硅的电子学和光子学集成的最佳方式存在分歧。直到最近,在硅上完全集成的概念还是不可能的,即使这被描述为圣杯,其他人不同意这种方法。但是现在有两种潜在的相互竞争的方法在硅上构建一切,使解决方案更加复杂。第二种基本方法是使用异质模具并将它们结合在一起,要么作为倒装芯片,要么使用3D堆叠。有一件事是清楚的,在这个决定中有很多因素需要权衡,本文打算探讨一些更大的问题。

硅的困难
激光器是可以产生或放大光以产生相干光束的装置。为了做到这一点,必须被刺激以激发电子进入更高的能量状态并实现人口反转。当电子衰减时,它们发出光子。该操作称为泵送。为了产生强足够的光束,光学反馈用于允许光子使多次通过介质。将硅转化为激光材料一直是挑战。

“硅不是一种直接带隙材料,”Mentor Graphics的工程总监Juan Rey说,“因此不可能让它产生足够的激光能量。”在硅中,导带最小值和价带最大值并不对应于k空间中的同一点(一种用动量空间中定义的波状态来描述晶体结构的方法)。因此,靠近导带边的电子和靠近价带边的空穴具有不同的动量,不能直接重新组合而发射光子。

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由于这个问题,激光器,探测器和调节剂依赖于III-V族半导体(由III族元素如铟或镓和诸如砷的v元素制成的化合物,例如砷。实施例化合物是氨磷酸铟(INP)和铟镓砷(Ingaas),其具有高度适用于这些应用的光学性质。但是,这些是使用CMOS处理集成的具有挑战性和昂贵的。

最近,IMEC成功展示第一III-V复合半导体FINFET器件在300mm硅晶片上集成在外延。IMEC的突破性方法选择性地用InGaAs或InP取代硅鳍,接近8%的原子晶格错配。新技术基于晶体缺陷,沟槽结构和外延流程创新的纵横比俘获。有希望这不仅会导致芯片的晶体管比硅的较小晶体管,而且所提到的两种材料也是光电子的重要材料,这意味着光学器件可以直接集成到电子设备中。

Si2的首席建筑师凯文·奈斯史密斯说:“现在在制造过程中有了一种共同的材料,就可以将两者结合起来。”“在这个公告发布之前,你必须拿出涂胶枪。”

然而,基于称为拉曼激光器的某些东西已经实现了Si的光学放大和激光,该装置是英特尔已经证实的装置。英特尔指出,因为硅拉曼放大器如此紧凑,它们可以直接与其他硅光子元件一体化,泵激光通过被动对准直接连接到硅。因为任何光学设备(例如调制器)引入损耗,所以可以使用集成的放大器来否定这些损耗。结果可能是无损硅光子器件。

拉曼效应可用于产生来自单个泵浦光束的不同波长的激光器。随着泵浦梁进入材料,光与由集成的硅滤波器制成的反射镜分裂到不同的激光腔中。然后可以将它们复用在一起,在单个玻璃光纤上发送多个数据流。Intel最近宣布的50Gbps解决方案利用通过将一层磷化铟层融合到制造过程中的硅波导上产生的四个混合硅激光器。

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来源:连续硅激光器。英特尔公司

Mentor Graphics负责Calibre DRC应用的产品营销经理John Ferguson对此并不确定。“激光需要大量的能量,而且很热,所以把它放在一个堆栈上会有相关的风险。然而,它们的作用就像一个电源,一束激光可以提供许多连接所需的光束。它可以被分离,被定向到需要被调制、发射和检测的地方。”

这促使我们考虑另一种可能性——异构集成。

异质整合
与芯片系统(SoC)方法相比,3D集成背后的关键驱动因素之一是降低了设计和制造复杂性。器件的单个组件可以在不同的晶圆上、不同的晶圆厂或由不同的公司制造。这实现了一种模块化的方法,异构组件可以集成在一起,并允许使用物理IP块。

例如,氮化镓(GaN),通常用于制造LED,激光器和其他光子元件的材料,并且通常被放在蓝宝石或碳化硅基板上。为此的主要原因是它们的结晶结构是相似的,这具有许多优点。然而,该基板对逻辑不仅差,而且晶片通常是2英寸或4英寸晶片,而不是硅通常使用的10英寸或12英寸。所以既不适用于两者。答案是使每个组件从理想的材料中脱离,然后将它们组合起来。

“对于低成本,高批量制造,不需要的非均相集成,特别是使用倒装芯片方法将磷化铟铟与SOI晶片上的整合,”EV集团业务发展总监Thorsten Matthias说。

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前处理SOI晶圆异构集成的工艺流程。礼貌EV组。

对于异构整合,在化合物半导体晶片以及靶晶片上需要SiO 2层以产生适当的粘合界面。该技术已经很好地为生产SOI晶片生产,称为氧化物氧化物键合。

Matthias说:“与外延技术相比,键合技术将是一种更优越的工艺,因为它可以以非常低的成本实现高质量的集成。”此外,键合前的等离子体激活允许在低温下在预处理过的SOI晶圆上进行异构集成。”

弗格森有一个鸟瞰图,因为他试图响应客户需求“让所有光子学在一个单一的模具上的兴趣似乎是令人失望的。我们开始看到公司使用2.5D和3D集成,其中光子组件放在硅中介层上。“

接下来的第二部分:看看其他的光子组件和设计因素相关的构建组合电子/光子组件,可能会把天平向这些解决方案之一倾斜



2的评论

allanholtz 说:

这是非常酷的技术。集成电路大小的多波长激光器和使用光子的能力以这种尺寸的比例进行信息是令人兴奋的,并且能够产生零孔隙率翻转键合基板集成的电子/光子结构。

Phillyblunz 说:

我还是先想要燃气轮机硅树脂引擎,去掉电池,我们再谈光子学。

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