新制造工艺：有望实现高速低功耗光电子芯片

消息来源:baojiabao.com 作者: 发布时间：2024-05-15

报价宝综合消息新制造工艺：有望实现高速低功耗光电子芯片

导读

近日，美国波士顿大学、麻省理工学院、加州大学伯克利分校、科罗拉多大学波尔得分校科研人员组成的团队开发一种新的制造方案，在块状硅衬底上，让光子器件与电子器件集成到一起。

背景

目前，微电子芯片的电信号传输方面存在瓶颈，通过电线传输数据的传统方法，传输速度和距离都受到限制，而且能耗和发热都很大。时下，电子器件正不断趋向更高的性能与更低的功耗，传统方法的瓶颈正日益凸显。

为了突破这一瓶颈，光学数据传输有望成为仅有的几个候选方案之一。光纤的数据传输速率是电线的近千倍，能耗也相对较低，还可以发送更高频率的数据。在光纤中，你可以使用多种不同颜色的光线，每种颜色的光线都具有一个数据通道。此外，相比于铜线，光纤也可以更加紧密地包装在一起，且不会存在电信频道之间的串话干扰。

可是，在单个硅芯片上集成电子器件和光子器件，受到了现有半导体制造工艺的制约。具体来说，就是硅电子器件与光子器件使用的材料平台无法相互兼容，大部分的电子器件采用块状硅衬底，而光子器件则采用绝缘衬底上的硅（ silicon-on-insulator ）平台。

创新

近日，美国波士顿大学、麻省理工学院、加州大学伯克利分校、科罗拉多大学波尔得分校科研人员组成的团队开发一种新的制造方案，在块状硅衬底上，让光子器件与电子器件集成到一起。4月19日，相关论文发表于《自然》杂志。

（图片来源：Amir Atabaki）

研究成果始于美国国防部高级研究计划局赞助的一个持续几年的项目，该项目由加州大学伯克利分校副教授 Vladimir
Stojanovic、麻省理工学院教授 Rajeev Ram、波士顿大学助理教授 Milos Popovic 领导。他们也和位于奥尔巴尼的纽约州立大学纳米科学与工程学院（CNSE）的半导体制造研究团队展开了合作。

技术

2015年，首个旨在克服芯片电信号传输瓶颈的主要成果诞生。该研究小组在《自然》杂志上发表的另外一篇论文中对成果进行了阐述。但是，这一方案只能应用于少量最先进的微电子芯片中，无法适用于目前最流行的采用块状硅衬底的芯片。

（图片来源：CNSE Albany）

那篇论文展示出世界上首个具备光学数据传输功能的微处理器，以及一种不改变原始制造工艺的方法。研究人员也称这一概念为“零改变技术”。以Popovic 作为合作创始人的创业公司 Ayar Labs，近期与著名的半导体制造商 GlobalFoundries 一起对这项技术进行商业化。

尽管，这一初始解决方案的商业影响显著，特别是在数据通信领域。但是，由于初始材料（绝缘衬底上的硅）成本较高，其最终应用性受限。为了开发适用于所有硅微电子器件的方案，研究人员需要采用占主导地位的低成本衬底，也就是块状硅。块状硅用于制造大部分的普通硅芯片，例如笔记本电脑与智能手机中使用的。绝缘衬底上的硅，比块状硅的性能更好，但是成本较高，所以只能应用于特定的高端微处理器。

块状硅与绝缘衬底上的硅之间的区别是：后者具有直接位于硅薄层之下的绝缘层（非常纯净的玻璃），但是前者没有。玻璃作为光子屏障，让光子陷入设备的光波导中。没有玻璃屏障，光信号将会丢失。

在这篇最新的论文中，研究人员展示一种新的制造方案，适用于基于块状硅的芯片。该光学器件的半导体制造方案可以无缝接入现有半导体工业制造工艺中去。

电子工业中，互补金属氧化物半导体（CMOS）广泛用于制造计算机处理器、内存、通信芯片以及图像感测器。CMOS技术需要块状硅衬底或者超薄绝缘衬底上的硅晶圆。然而，由于块状硅供应链充足且成本低廉，所以占主导地位。相比而言，硅光子器件通常需要厚的绝缘衬底上的硅晶圆。对于计算机内存为代表的应用来说，其供应链受限且成本较高。因此，长期目标就是利用CMOS制造技术和材料平台，集成电子与光子元件，且不影响其性能。

在这项研究中，研究人员成功地将光子器件集成到块状硅CMOS芯片中。他们采用标准的CMOS制造技术，在制造工艺中引入少量变化，从而在块状硅中创造出光子器件区域。这些光子器件在晶体管处理期间集成。这包括，在块状硅中添加一个由绝缘体材料二氧化硅形成的“孤岛”，并在其顶部沉积多晶硅薄膜，从而形成了绝缘衬底上的硅。光子器件会从这个绝缘衬底上的硅区域制造出来，而晶体管则会在CMOS芯片上标准的块状硅区域形成。

（图片来源：Nature）

价值

这一新型平台将光子器件带入最先进的块状硅微电子芯片中，带来更快更节能的通信，并将为光电子系统芯片的量产铺平道路，极大地改善计算设备与移动设备。

除传统数据通信之外，其应用还包括图像和数据识别任务中的深度学习神经网络的训练，无人驾驶汽车中采用的低成本红外激光雷达感测器、智能手机人脸识别技术以及增强现实技术。

此外，光学使能的芯片将带来新型的数据安全和硬件鉴权、应用于第五代（5G）无线通信网络的更加强大的芯片、量子信息处理器件和量子计算器件。

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