近日,美國麻省理工學院等高校開發(fā)了一種新的制造工藝,采用現(xiàn)代互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝,而非傳統(tǒng)的CMOS工藝,在硅襯底上實現(xiàn)光子器件與電子器件集成到一起,新技術(shù)允許將光通信器件添加到現(xiàn)有的芯片上,而僅需對原有設(shè)計進行微調(diào)。新的研究成果刊登到最新一期(4月18日)的國際知名學術(shù)期刊《自然》雜志上。論文連接:https://www.nature.com/articles/s41586-018-0028-z
研究背景
兩年半前,在美國國防先期研究計劃局(DARPA)部分資助下,由美國麻省理工學院、加州大學伯克利分校和波士頓大學領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊宣布了一項里程碑:僅采用傳統(tǒng)的CMOS制造工藝將電子器件與光子器件集成到同一芯片上,實現(xiàn)了硅基微處理器的制造。
然而,研究人員的方法要求芯片上的電子器件與光子器件構(gòu)建在相同的硅層上,這意味著依靠傳統(tǒng)的CMOS技術(shù)時,需要電子器件的硅層足夠厚,以集成光學器件。
新技術(shù)成果
近日,同樣由麻省理工學院、加州大學伯克利分校和波士頓大學領(lǐng)導(dǎo)的18位研究人員組成的團隊報告了另一項重大突破:獨立集成片上光子器件和電子器件的技術(shù),使得可以采用更加現(xiàn)代的晶體管技術(shù)。同樣,該技術(shù)僅需要使用現(xiàn)有的CMOS制造工藝來實現(xiàn)。
除了用于執(zhí)行計算的數(shù)百萬晶體管之外,研究人員開發(fā)的新芯片還包括光通信所需的所有器件:調(diào)制器、波導(dǎo)、諧振器和光電探測器,采用在晶體管旁邊制造的氧化硅島上沉積一層多晶硅實現(xiàn)。
相比之下,集成光子器件的早期工作涉及晶片鍵合,其中單個大的硅晶體熔合到沉積在一個單獨芯片頂部的玻璃層上。而新的研究成果能夠在玻璃上直接沉積不同厚度的硅,必須同由許多小硅晶體組成的多晶硅相結(jié)合。
由于新工藝使用多晶硅,因此存在折衷情況。單晶硅對于光子技術(shù)和電子技術(shù)都很有用,但對于多晶硅,則在光學效率和電效率之間存在折衷。大晶體多晶硅在導(dǎo)電方面效率很高,但大晶體傾向于散射光線,從而降低光學效率。小晶體多晶硅散射的光線較少,但不是一個好的導(dǎo)體。
利用紐約州立大學納米科學與工程學院的制造設(shè)施,研究人員嘗試了一系列用于多晶硅沉積的工藝方法,改變所用原料硅的類型、加工溫度和時間,最后他們找到了一種能在電子和光學特性之間提供最佳折衷的方法。
重大意義
麻省理工學院電子研究實驗室的研究科學家、新研究成果的三位第一作者之一Amir Atabaki表示:“這項工作最有前途的事情是可以分別優(yōu)化電子器件和光子器件,我們擁有不同的硅電子技術(shù),如果我們能夠在這些技術(shù)基礎(chǔ)上增加光子技術(shù),這將為未來通信和計算芯片提供強大能力。例如,現(xiàn)在我們可以想象像英特爾這樣的微處理器制造商或像Nvidia這樣的圖形處理器(GPU)制造商會說,‘新技術(shù)非常好,我們現(xiàn)在可以為我們的微處理器或GPU提供光子輸入和輸出’,而且他們在改進片上光學性能的過程中不必做太多改變。”
從電子通信向光通信的轉(zhuǎn)變對芯片制造商很有吸引力,因為光通信可以顯著提高芯片的速度并降低功耗,隨著芯片晶體管數(shù)量的持續(xù)增加,這一優(yōu)勢將變得越來越重要:美國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(SIA)估計,按目前的增長速度計算,到2040年,計算機的功率需求將超過世界總發(fā)電量。
將光子器件和電子器件集成在同一芯片上可進一步降低功耗。目前市場上銷售的光通信器件功耗太大,并產(chǎn)生太多的熱量,因此會被集成到微處理器等電子芯片中。例如,商用光調(diào)制器消耗的功率是內(nèi)置研究人員新芯片的調(diào)制器的10到100倍,并占用了10到20倍的芯片空間,這是因為將電子和光子器件集成到同一芯片上的新方法使Atabaki及其同事能夠使用更節(jié)省空間的環(huán)形調(diào)制器設(shè)計。
Atabaki解釋說:“我們可以使用光子體系結(jié)構(gòu)。通常來講,如果沒有集成電子器件,就無法使用光子體系結(jié)構(gòu)。例如,由于控制和穩(wěn)定諧振器需要相當大的電子能力,現(xiàn)在已經(jīng)沒有使用光學諧振器的商業(yè)光學收發(fā)器?!?
原標題:美高校采用現(xiàn)代CMOS工藝將光子與電子器件集成到單個硅芯片,有望為未來通信和計算提供高速低功耗光電子芯片