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美國用CMOS工藝有望打造高速低功耗光電子芯片

摘要: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,而僅需對原有設計進行微調。新的研究成果刊登到最新一期(4月18日)的國際知名學術期刊《自然》雜志上。

  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,而僅需對原有設計進行微調。新的研究成果刊登到最新一期(4月18日)的國際知名學術期刊《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導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建在相同的硅層上,這意味著依靠傳統(tǒng)的CMOS技術時,需要電子器件的硅層足夠厚,以集成光學器件。

  新技術成果

  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導的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,使得可以采用更加現(xiàn)代的晶體管技術。同樣,該技術僅需要使用現(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:調制器、波導、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和電子技術都很有用,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,但不是一個好的導體。

  利用紐約州立大學納米科學與工程學院的制造設施,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,如果我們能夠在這些技術基礎上增加光子技術,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,隨著芯片晶體管數量的持續(xù)增加,這一優(yōu)勢將變得越來越重要:美國半導體行業(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,商用光調制器消耗的功率是內置研究人員新芯片的調制器的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)形調制器設計。

  Atabaki解釋說:“我們可以使用光子體系結構。通常來講,如果沒有集成電子器件,就無法使用光子體系結構。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

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