成為主流前，硅光電器件仍需提高可靠性

  硅光電學(xué)有能力以極低的功率大幅改善封裝內(nèi)的片上和芯片間通信，但確保信號(hào)完整性長期保持一致并不那么簡單。

  需要提升硅光電技術(shù)的可靠性

  雖然這項(xiàng)技術(shù)至少已在過去十年中已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化使用，但它從未獲得主流地位。主要是因?yàn)槟柖晌⒖s已經(jīng)滿足了大部分的功率/性能需求，而價(jià)格卻遠(yuǎn)低于硅光電學(xué)。因此，硅光電學(xué)一直被限制在網(wǎng)絡(luò)芯片等應(yīng)用中，在這些應(yīng)用中，價(jià)格并非是首要考慮因素，而延遲和低功耗則至關(guān)重要的。但隨著摩爾定律益處逐漸減少，以及更大量數(shù)據(jù)需要以更快速度處理和移動(dòng)，特別是在汽車激光雷達(dá)等不斷增長的市場中，硅光電學(xué)正在吸引更多的興趣。隨之而來的是，如何在這項(xiàng)技術(shù)的所有應(yīng)用中增加一致性和可靠性成為關(guān)注的焦點(diǎn)。

  光電子應(yīng)用市場

  Mentor公司產(chǎn)品經(jīng)理Tom Daspit說：“光電子有四個(gè)經(jīng)典市場，第一是傳感器，通常是非常小的設(shè)計(jì)。第二是箱外網(wǎng)絡(luò)，一邊是以太網(wǎng)，另一邊是光纖。我們也看到一些公司在用光電器件做硅中間層，而其他公司則在基板上使用一個(gè)芯片。第三是激光雷達(dá)，第四是網(wǎng)絡(luò)交換。我們還看到一大堆創(chuàng)業(yè)公司在做量子計(jì)算，有些公司在用光電學(xué)來驅(qū)動(dòng)約瑟夫森結(jié)。”

  正在探索的新領(lǐng)域之一是封裝內(nèi)的芯片對(duì)芯片通信，以及器件內(nèi)模塊之間的通信。迄今為止使用的主要方法是依靠硅中間層，其中硅通孔(TSV)作為光信號(hào)的波導(dǎo)。

  ASE的工程副總裁Calvin Cheung說：“典型信號(hào)是通過一個(gè)轉(zhuǎn)換器，然后是一個(gè)收發(fā)器，最后到光纜。想做的是減小ASIC和光收發(fā)器之間的互連尺寸，以及達(dá)到更高的速度。最好的辦法是在硅中間層上用波導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)，在那里制造出一個(gè)作為波導(dǎo)的溝槽?？s小互連可以提高信號(hào)完整性和功率效率。如果通過銅纜驅(qū)動(dòng)，會(huì)浪費(fèi)很多能量?！?

  面臨挑戰(zhàn)

  然而，將其推向主流并不那么簡單。首先，需要降低硅光電學(xué)的成本，這既需要更多的標(biāo)準(zhǔn)工藝，也需要更廣泛的應(yīng)用。還需要從設(shè)計(jì)一直到測試和檢驗(yàn)等多個(gè)層面的創(chuàng)新。此外，光電芯片還可能出現(xiàn)多種影響可靠性的問題，包括：

  翹曲：光電學(xué)所需的材料與電路不同，光電芯片通常需要Ⅲ-V材料與硅結(jié)合。由于它們具有不同的熱膨脹系數(shù)，這可能會(huì)給焊球或凸點(diǎn)(bumps)帶來壓力，并導(dǎo)致翹曲，從而使光信號(hào)偏斜。

  漂移：與模擬電路一樣，光電路也會(huì)受到老化、熱和各種噪聲的影響?？赡軙?huì)導(dǎo)致信號(hào)的變化，會(huì)將信號(hào)推到接收它們的光學(xué)濾波器的范圍之外。

  波導(dǎo)粗糙度：波導(dǎo)需要完全平滑，才能不破壞光信號(hào)。任何畸變，相當(dāng)于數(shù)字芯片中的線端側(cè)粗糙度，都會(huì)影響信號(hào)的完整性。此外，光電路必須與信號(hào)保持線性或放松的曲線，以保持流暢的流動(dòng)，這不是今天設(shè)計(jì)工具的重點(diǎn)。

  完善：雖然大部分硅光電芯片的制造都是在老舊節(jié)點(diǎn)上完成，這仍然是一個(gè)相對(duì)較新的制造工藝。發(fā)光激光器本身使用的Ⅲ-V材料需要以某種方式與硅結(jié)合，這類芯片的封裝仍在完善中。

  這些和其他問題都待解決。

  材料方面的挑戰(zhàn)

  FormFactor公司首席執(zhí)行官M(fèi)ike Slessor說：“硅光電晶圓通常會(huì)在同一晶圓上同時(shí)集成邏輯和光學(xué)元件。這些光學(xué)元件，如激光器、波導(dǎo)、探測器和多路復(fù)用器，可直接與經(jīng)典的邏輯器件連接，也可以通過先進(jìn)的2.5D和3D先進(jìn)封裝技術(shù)作為獨(dú)立的IC組合。因此，硅光電晶圓測試的新維度是電學(xué)和光學(xué)測量的混合。”

  硅光電學(xué)與今天數(shù)據(jù)中心內(nèi)的光通信不同。雖然光已經(jīng)被用來在不同的距離上傳輸大量的數(shù)據(jù)，但這些距離通常已相當(dāng)大。通過將其納入芯片或多芯片封裝，使其更接近處理部分，增加了全新的復(fù)雜性。

  材料帶來了另一個(gè)問題。材料的充足供應(yīng)和純度至關(guān)重要。最受歡迎的材料包括砷化鎵、砷化銦、砷化鎵銦和磷化銦。這些Ⅲ-V材料在硅光電學(xué)中必不可少，它們具有直接帶隙，但很難加工，隨著時(shí)間的推移而退化--這就是為什么大多數(shù)光子學(xué)應(yīng)用包括冗余激光器的原因--而且它們從未大量生產(chǎn)。相比之下，硅非常穩(wěn)定，但由于是間接帶隙，是一個(gè)很差的光發(fā)射器。

  這個(gè)組合中還有其他材料。例如，過渡金屬二鹵化物被用來維持光信號(hào)的振幅和功率，它們以薄膜的形式沉積。雖然這些都可以采用比較簡單的制造方法，但這些都是外來材料。

  從好的方面看，這些芯片大多不是在前沿先進(jìn)節(jié)點(diǎn)開發(fā)的。與模擬一樣，縮小特征尺寸也無濟(jì)于事。

  集成帶來挑戰(zhàn)

  FormFactor的Slessor說：“硅光電芯片正在45納米或65納米節(jié)點(diǎn)上生產(chǎn)。利用已安裝的半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備基礎(chǔ)，具有相當(dāng)成本效益。所處理的尺寸和材料組相對(duì)簡單。這對(duì)晶圓廠產(chǎn)能來說相當(dāng)可觀?！?

  然而，將所有的東西封裝在一起就復(fù)雜多了。proteanTecs的首席業(yè)務(wù)官Raanan Gewirtzman說：“在使用這些材料時(shí)更大的問題是結(jié)構(gòu)性的?？煽啃杂绊憗碜詭讉€(gè)不同的方向。在先進(jìn)封裝中，需要找到將這些裸芯片組裝在一起的方法，并確保解決了熱的問題。因此，可能會(huì)使用TSV或微凸塊來連接不同的芯片，當(dāng)你在同一封裝中擁有很多芯片時(shí)，必須處理大量的連接問題?，F(xiàn)在已經(jīng)有必要監(jiān)控互連和信號(hào)質(zhì)量，以確保整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行。”

  與所有芯片一樣，尤其是高性能數(shù)字或混合信號(hào)芯片，發(fā)熱是一個(gè)問題。硅光電學(xué)的好處是它不會(huì)產(chǎn)生很多熱。缺點(diǎn)是其他來源的熱量會(huì)導(dǎo)致光信號(hào)漂移。光學(xué)濾波器需要重新校準(zhǔn)以考慮到這種漂移，以避免信號(hào)損失。

  缺少設(shè)計(jì)和制造工具

  設(shè)計(jì)光電芯片與電芯片有很大的不同。光學(xué)中的交叉電路并不違規(guī)，不會(huì)像電氣設(shè)計(jì)那樣造成短路。此外，大多數(shù)光電學(xué)芯片都是在130nm和90nm下開發(fā)的，其成本更低，更容易使用。但大的問題是缺乏適宜的工具。在微電子領(lǐng)域，適宜的工具使得數(shù)字甚至模擬/混合信號(hào)芯片的設(shè)計(jì)變得更加一致。

  Mentor的Daspit說：“你必須是定制化布局方面的專家。今天，沒有標(biāo)準(zhǔn)，也沒有普遍的方法論。如果把這個(gè)放到一個(gè)封裝中，你必須讓一根或多根光纖穿過封裝。面臨的挑戰(zhàn)是如何讓光進(jìn)入和離開芯片。如果使用的是光柵耦合器，光是以一定角度進(jìn)入。如果使用的是邊緣耦合器，光就會(huì)與芯片在同一平面上進(jìn)入。但無論哪種方式，都有2D/3D對(duì)齊問題?！?

  這就需要一些改變。在過去，由于硅光電學(xué)所面對(duì)的細(xì)分市場，這些改變被認(rèn)為是不必要的。但在更高頻的通信中，如5G和潛在的汽車應(yīng)用中，硅光電學(xué)突然顯得比過去有趣得多。但利用這項(xiàng)技術(shù)將需要從設(shè)計(jì)到制造過程中更加一致。

  Ansys的首席技術(shù)專家Jo?oGeada說：“將會(huì)有專門的硅或其他制造工藝來滿足專門的需求，無論是用硅鍺或砷化鎵來實(shí)現(xiàn)高頻無線電波，還是用特定的工藝來制造光電子。當(dāng)然，可以用普通的傳統(tǒng)CMOS來集成一部分，但不集成的時(shí)候會(huì)更容易。而且你不需要極端節(jié)點(diǎn)的非常高的成本，當(dāng)你放在它上面的功能是為了操控光的時(shí)候，它實(shí)際上比你做的最小的晶體管大得多。”

  另一個(gè)挑戰(zhàn)是確定光在引起問題之前可以彎曲到什么程度。這需要建立在底層規(guī)劃和封裝工具中。Daspit說：“你只能把光彎得這么緊，你還可能需要使用會(huì)延遲光的結(jié)構(gòu)，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)應(yīng)用以固定頻率運(yùn)轉(zhuǎn)?！?

  分析和測試面臨的挑戰(zhàn)

  分析和測試增加了其他挑戰(zhàn)，特別是在覆蓋率方面。OptimalPlus副總裁兼總經(jīng)理Doug Elder說：“硅光電器件很難分析。你有一個(gè)數(shù)據(jù)類型的混合，你必須對(duì)這些做一些事情。如果你能將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一種可以做一些事情的格式，你會(huì)得到一些好處，但歷史上這些都是不同的孤島。”關(guān)鍵是創(chuàng)建一個(gè)語義層并添加預(yù)測模型，Elder說：“你正在尋找的是及時(shí)的反饋以便壓縮從時(shí)間到數(shù)量?！迸c此同時(shí)，測試往往遵循與傳統(tǒng)芯片相同的方法，只是更加復(fù)雜。

  Slessor說：“我們正在開發(fā)的大多數(shù)測試方法都類似于今天人們進(jìn)行電氣測試的方式。因此，如果你看看我們的整體系統(tǒng)，它有各種激光器和探測器，它們正在通過硅光電學(xué)芯片驅(qū)動(dòng)光信號(hào)，同時(shí)對(duì)事物進(jìn)行電氣調(diào)制，以打開和關(guān)閉結(jié)構(gòu)或改變一點(diǎn)波長。然后測量輸出。所以你有一套激光器、一套探測器、一套電子輸入和輸出來測量各種不同的東西。如果是調(diào)制器，你要測量的是與開關(guān)相關(guān)的東西，與器件相關(guān)的所有指數(shù)。因此，它真的很類似于我們在主流電氣測試中所做的事情。只是現(xiàn)在你也有了這個(gè)光學(xué)元件?！?

  不過，這并不是一個(gè)千篇一律的方法。Slessor說：“不同的客戶采取了不同的方法。他們中的一些人已經(jīng)做了完全自制的工作臺(tái)解決方案。我不確定我會(huì)把它稱為生產(chǎn)測試。它更像是表征和工程測試。你可以擺脫那些不像當(dāng)今主流CMOS測試那樣高效、高通量和良好集成的東西。但我們已經(jīng)與各種客戶合作，包括GlobalFoundries和ITRI，以及像Keysight這樣的合作伙伴，為晶圓級(jí)硅光電整合了一套完整的測試系統(tǒng)。在這個(gè)領(lǐng)域，隨著人們開始加緊生產(chǎn)，我們看到對(duì)這種集成系統(tǒng)的需求越來越多。盡管我們的產(chǎn)量還很小，但這能讓他們快速提升產(chǎn)量，他們不必?fù)?dān)心將不同的測試儀器與不同的處理硬件整合在一起。當(dāng)然，你要看的測量不僅僅是光學(xué)的，還有電氣的。因此，這是這些混合應(yīng)用中的一種，能夠以交鑰匙的方式將所有的東西整合在一起，有助于我們的客戶在短時(shí)間內(nèi)獲得結(jié)果和進(jìn)入市場。”

  結(jié)語

  硅光電學(xué)已經(jīng)是一種經(jīng)驗(yàn)證的技術(shù)組合。隨著需要快速移動(dòng)的數(shù)據(jù)量不斷增加，以及更多的數(shù)量帶來更好的工具和更低的價(jià)格，預(yù)計(jì)隨著時(shí)間的推移，硅光電技術(shù)將變得更加重要。

  事實(shí)上，大部分的開發(fā)工作都可以在pre-finFET節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行，這是一個(gè)很大的好處，特別是當(dāng)考慮到更低的功率、更低的熱量和更高的性能時(shí)。但要將其推向主流，仍需要一致性、可靠性和更好的工具，目前還有很多工作要做。

  信息來源https://semiengineering.com/making-silicon-photonics-chips-more-reliable/