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硅基光电子与微电子单片集成研究进展

原标题:硅基光电子与微电子单片集成研究进展

来源:文章转载自期刊《微纳电子与智能制造》,作者:黄北举,张赞,张赞允,张欢,程传同,陈弘达,谢谢。

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摘 要

硅基光电子具有与CMOS工艺兼容,借助成熟的微电子加工工艺平台可以实现大规模批量生产,具有低成本、高集成度、高可靠性的优势。通过CMOS工艺可以实现硅基光电子和微电子的单片集成,发挥光电子在信息高速传输和微电子在信息高效处理的优势,充分实现微电子与光电子的融合与取长补短,实现性能更优的光电集成芯片。介绍了国内外硅基光电子器件与集成芯片的研究进展,重点介绍了本课题组在硅基光电子与微电子集成方向的研究进展,包括硅基激光器、硅基光调制器、硅基发光器件与控制电路单片集成、硅基光电探测器与接收电路单片集成、硅基微环滤波器与温控电路单片集成、单片集成硅光收发芯片等。

引言

从1947年第一只晶体管的问世开始,集成电路技术极大推动了科技进步,为信息社会奠定了重要基石,开启了人类历史上一个崭新的伟大时代。目前,集成电路已在日常生活中无处不在,遍布于计算机、手机、电器、汽车、互联网等领域。随着社会的进步和技术的发展,人们对信息的需求也越来越多,这对集成电路的信息获取和处理能力提出了更高的要求。然而在后摩尔时代,集成电路面临着不可逾越的电互连导致的延时和功耗方面的限制。于是,人们提出了利用光子作为信息载体来替代电子的设想,希望可以用光子更高效地完成信息的传输,即光互连。通过光电子和微电子的融合,可以实现高速光互连,实现信息的高速传输,解决电互连的瓶颈。

硅基光电子具有与CMOS工艺兼容,借助成熟的微电子加工工艺平台可以实现大规模批量生产,具有低成本、高集成度、高可靠性的优势,是实现光电子和微电子集成、光互连的最佳方案。硅基光电子技术是指基于硅材料的光电子器件设计、制作与集成技术。相对于其他的光电子材料,虽然硅材料因其间接带隙的特点导致难以制作发光器件,但是硅材料具有很高的折射率,易于实现小体积高集成度的光电子器件。借助于硅材料的等离子色散效应可以实现超高速光调制器,硅和锗结合可以实现红外通信波段高速光电探测器,通过晶圆键合(waferbonding)技术可以将成熟的III-V族材料激光器引入到硅波导中。目前硅材料已经可以实现绝大部分光电子器件,具备了成为优秀光电子器件平台的潜力。同时受益于成熟的CMOS工艺技术,硅基光电子具有可批量生产、集成度高、成品率高、成本低、易于和微电子电路单片集成的优点。硅基光电子技术在发展过程中后来居上,在性能与稳定性上逐渐超过了基于传统材料的光电子技术,并展现出在通信、传感、能源、军事领域的应用潜力。

本文介绍了国内外硅基光电子与微电子集成的研究进展,重点介绍了本课题组在硅基光电子与微电子集成的研究进展。第一部分介绍了硅基光电子器件中两类核心关键器件,硅基激光器和硅基光调制器。这两类器件一直是硅基光电子技术的短板,尤其是硅基激光器,目前以混合集成为主;硅基光调制器目前在速率方面已经不是问题,在插损、耦合效率方面需进一步优化。第二部分介绍了硅基光电集成研究进展,从硅基光电子和硅基微电子融合的角度介绍硅基光电集成芯片,包括硅基发光器件与控制电路单片集成、硅基光电探测器与接收电路单片集成、硅基微环滤波器与温控电路单片集成、单片集成硅光收发芯片。硅基光电集成芯片结合了光电子和微电子的优点,实现了二者性能的优势互补。第三部分介绍了硅光芯片在智能领域的应用,即基于硅光的神经形态类脑计算和深度学习。第四部分是总结和展望。

1. 硅基光电器件研究进展

硅基激光器

与硅基光子技术在无源波导器件、调制器以及探测器等领域取得的丰硕成果相比,片上硅基光源依然缺少成熟的方案。硅材料的间接带隙特性,决定了其发光效率低下,难以作为有源材料制作高性能的发光器件。近年来人们从发光原理、材料、器件结构等多个角度,开展了大量的硅基光源的研究,硅基拉曼激光器、纳米硅发光、硅稀土掺杂发光、锗/锗硒合金光源等,发光效率不断提高,甚至实现了激射。但这些光源的性能与III-V激光器相比还有一定的差距。因此,目前相对较成熟的硅光子片上光源方案主要是基于III-V材料,通过一定的集成手段在硅光子芯片上实现III-V材料激光器的制作。

硅基片上光源按照集成方式的不同分为两类:混合集成与单片集成。混合集成是指激光器或其增益材料并不是直接在硅材料上生长制作,而是采用特定的工艺,将激光器或其增益材料转移至硅光芯片上,构成片上光源。而单片集成则是采用优化的工艺,直接在硅材料上生长特定的材料作为激光器的增益介质,实现片上光源的制作。两种集成方式各有千秋,混合集成技术发展较早,所采用的工艺也比较成熟,能够保证增益介质的最佳性能,但其工艺成本较高,也难以实现较大规模的集成。单片集成技术虽然发展稍慢,光源性能有待提高,但单片集成光源一直被认为是硅光子片上光源的终极解决方案,能够最大程度的整合工艺,不断缩小线宽,实现大规模光电子集成回路。

1. 混合集成

混合集成方案主要包括激光器直接放置(directmounting)技术和晶圆键合技术。直接放置技术主要是指采用倒装焊或贴装工艺,将预先制作好的III-V族材料激光器放置在硅光子芯片表面,通过焊球完成电连接,实现光源与硅光波导器件的混合集成。富士通实验室的学者Tanaka等设计了一种无需温度控制的硅光子发射机芯片,采用高精度倒装焊设备将III-V族材料半导体光放大器(semiconductoropticalamplifier,SOA)集成在SOI衬底上,与波导端面对准,和SOI波导一起构成混合集成激光器,如图1所示。采用倒装焊有助于使硅光器件和SOA的设计更加灵活,同时也能够为SOA提供更好的导热性。但端面耦合对倒装焊的精度提出了很高的要求。为了提高对准容差,需要在SOI波导上制作一段由SiON构成的宽波导作为光斑转换器,将SOI波导中的强限制光斑扩展到与SOA的模场相当的尺寸。因此,虽然倒装焊技术较成熟,也能充分发挥III-V族材料的光增益特性,但高对准精度要求导致了其工艺成本较高。

图1. 无需温度控制的硅基光发射机芯片示意图

晶圆键合是目前混合集成方案中被人们寄予期望最高的光源集成技术。采用晶圆键合技术,人们可将III-V族材料外延层集成至硅波导等硅光器件上方,由III-V族材料产生的光可通过倏逝波耦合的方式进入硅光子回路,完成片上光源与硅光子芯片的混合集成。由于键合时III-V族材料外延层还未做图形化,所以键合工艺的对准容差很高,有源区与下方硅波导的对准则通过光刻工艺完成,相比倒装焊等直接放置技术具有更高的对准精度。

晶圆键合技术主要分为两类:直接键合(directlybonding)与粘结键合(adhesivebonding)。直接键合技术是指不借助粘结材料,直接将光滑、平整、洁净的两晶圆接触,在界面键作用下,两晶圆间形成牢固结合。粘结键合是指借助特定的粘结材料完成晶圆间键合的技术。常见的粘结材料包括金属和聚合物,而针对III-V族材料与硅的集成,应用最成熟的是基于苯并环(BCB)辅助的粘结键合技术。BCB具有牢固的键合效果,平整度高,热稳定性好,对III-V材料工艺中多种化学品具有较高的惰性,非常适用于III-V材料与硅材料的晶圆键合。但相对直接键合技术而言,BCB材料自身的导热性能较差,因此对激光器的散热有一定负面影响,会导致光源性能下降。此外,BCB层的引入增大了III-V材料有源区与SOI波导的间距,进而降低了光场在有源区与SOI波导间的耦合效率,影响激光器的性能。针对这些问题,Keyvaninia等提出了一种“冷键合”工艺,能够显著降低BCB键合层厚度,将其控制在50nm以下。采用该技术,制作了BCB厚度约35nm的III-V族与硅混合集成DFB激光器,如图2所示,并且通过对顶层二氧化硅过刻的方式,进一步将BCB厚度减小10nm,实现了56Gb/s的直接调制速率。

图2. 基于BCB键合的III-V族与硅混合集成DFB激光器示意图

2. 单片集成

单片集成方案主要指硅上异质外延III-V材料激光器。与混合集成光源相比,单片集成方案最主要的优势是其能够与硅光子工艺同步缩小线宽、提高集成度,在大规模光子集成芯片的研制中有巨大潜力,这也是硅光子技术的主要发展方向。

硅上异质外延III-V材料是目前来看最吸引人们注意的硅光子单片集成光源解决方案。直接在硅材料上外延III-V材料,有望把原生III-V族材料光子器件的工艺与技术应用于硅光子光源中,得到性能优异的片上光源。异质外延技术面对的问题主要是III-V材料与硅间严重的晶格失配,这将导致位错、反相畴等缺陷的产生,严重限制着III-V激光器的寿命和性能。对于位错缺陷,在生长中可在衬底和有源区之间加入位错阻挡层或其他缓冲层结构,以降低穿透位错(TD)密度和其穿透深度。而对于反相畴缺陷而言,缓冲层对其并不能起到有效的过滤作用。采用选区生长技术在图形化的硅衬底上外延III-V材料,能够有效限制反相畴缺陷对有源区的影响。由(111)晶面构成的V型槽对于抑制反相畴缺陷的形成具有重要作用,器件三维示意图如图3所示。

图3. 硅基InP/InGaAs激光器阵列三维示意图

此外,与量子阱激光器相比,量子点(QD)的离散分布特点使其具有更好的位错容忍度,能够有效过滤位错缺陷对有源区的影响,基于量子点的激光器具有更好的温度特性和更低的阈值电流。Chen等采用将成核层与位错过滤层结合的方式,得到了低至105cm-2量级的穿透位错密度,制作出低阈值量子点激光器,阈值电流密度为62.5A/cm2,工作温度范围可高至120,预计寿命约100158h。

硅基电光调制器

为了实现从电信号到光信号的调制,需要利用到半导体材料的效应。可以利用的半导体材料的效应主要有:电光效应、Franz-Keldisch效应、热光效应及等离子色散效应。电光效应是指晶体折射率随外加电场变化的现象,目前被广泛应用于高速光通信中。遗憾的是,硅是反演对称晶体,并不具备线性电光效应,只具有非常微弱的非线性电光效应,无法引起足够大的折射率变化。Franz-Keldisch效应同样也是一种电场效应,是指半导体因外加电场而使光场吸收端位置移动,使得在吸收端附近某一固定波长的吸收系数因外加电场而发生较大变化。硅的Franz-Keldisch效应也非常微弱,因此也无法利用其进行有效的光学调制。热光效应是指半导体材料因温度的改变而引起折射率改变的现象。硅的热光系数较大,温度的改变能引起较大的折射率的变化,但是热光效应响应较慢,只能达到MHz量级的调制速度。等离子色散效应是指半导体材料中因载流子数量的变化引起折射率和吸收系数的变化。基于等离子色散效应的硅基电光调制器速率主要取决于载流子的注入和抽取时间。早期,人们一般采用正向注入的PIN结构,载流子缓慢的扩散限制了调制速度。2004年Intel公司提出了MOS型电光调制器,首次将硅基电光调制器速率提高到了Gb/s量级。此后人们又提出了反向偏置的PN结构,消除了载流子扩散效应,将调制速率提高到50Gb/s以上。

目前硅基电光调制器的速率已经不是问题,通过PAM4可以实现100Gb/s以上的调制。现在硅基电光调制器的主要问题是插入损耗大,耦合损耗大。为了解决这一问题,本课题组基于双向光栅耦合器提出了一种新型的垂直光耦合接口的电光调制器,如图4所示,主要组成部分包括双向垂直光栅、模式转换器、PN结相移器、共面波导行波电极以及光学合束器。当单模光纤被垂直放置于光栅区域中心时,光栅在输入耦合端接近对称分束,耦合进入的光以接近1:1的分束比分成两束分别经过模式转换进入两个光学相移臂中。通过对其中一个光学相移臂加电信号进行调制或者对两臂进行差分调制,便可以实现两个光学臂中的相对相位在0和π之间跳转,两束光波在经过相位的调制后经过光学合束的干涉作用,便实现了强度调制。和传统硅基电光调制器相比,该新型调制器无需分束器,光栅在耦合的同时就完成了分束功能,节省了分束器的插入损耗。且该垂直光栅的耦合容差大,有利于调制器和光纤的耦合及低成本的封装。在谐振波长处,光栅耦合器的分束比对光纤的位置不敏感,始终保持1:1的分束比。分束比对于调制器的性能具有非常大的影响,1:1的分束比确保调制器具有更高的调制深度和消光比。

图4. 新型垂直光耦合接口电光调制器

图5为该调制器的25Gb/s眼图测试,(a)和(b)代表光纤偏离光栅耦合器中心 2μm和-2μm的眼图,(c)和(d)代表光纤偏离光栅耦合器中心 4μm和-4μm的眼图。由此可见,该新型光耦合接口调制器具有极大的耦合容差,解决了目前硅基电光调制器耦合容差小、损耗大的缺点,对于实现大规模、低成本的批量封装和测试,实现产业化应用具有重要意义。

图5. 调制器在不同耦合偏差时的眼图测试

2. 硅基光电集成研究进展

CMOS硅发光器件与控制电路单片集成

上述硅基激光器制作工艺较复杂,无法通过现有的CMOS工艺实现,因此无法和硅基电路单片集成。为了实现单片集成,必须基于CMOS工艺研制片上光源。我们采用标准CMOS工艺率先制作出不同机制、不同结构的硅基发光二极管(LED)以提高器件发光效率。按照光激发方式的不同,研制的CMOS硅基发光器件包括:

(1)PN结发光器件:基于PN结反向注入原理实现了多种结构硅基发光器件,其发光峰值位于750nm左右的可见光波段,器件工作的击穿电压由最初的8.5V(雪崩击穿)降到1.8V(齐纳击穿);基于PN正向注入原理,实现了峰值在1130nm左右的近红外光发射,工作电压低于2V。此类器件的光功率最高可达0.18μW,较低的工作电压使得硅LED更适合与典型的CMOS工艺电源电压共用。

(2)金属-氧化物-半导体(MIS)结构发光器件:采用0.18μm标准CMOS工艺制做了多晶硅/栅氧/硅构成的MIS结构,该器件在正向偏置和反向状态下可以产生可将光和近红外波段的光发射。

(3)肖特基结发光器件:利用标准CMOS工艺中的金属硅化物与低掺杂硅可形成肖特基二极管,该器件在反向偏置之下可以发出类似于PN结反向击穿的可见光,击穿特性类似于齐纳击穿,光谱范围较宽,可以拓展到1500nm的近红外波段。

图6为通过0.18μm和0.35μmCMOS流片制作的硅发光二极管。巧妙利用CMOS里面的工艺层,通过版图和结构方面的优化来实现发光性能稳定的硅发光二极管,该发光二极管可以在室温下长时间稳定的工作。为了验证提出的硅发光二极管性能的稳定性,我们通过不同的CMOS工艺研制了不同形状的LED,结果表明通过不同CMOS工艺研制的环形、十字形、八边形、条形LED都可以在室温下稳定发光。

图6. 采用标准CMOS工艺研制的硅发光二极管

所研制的硅LED为通过标准CMOS工艺实现,因此具有和片上控制电路单片集成的优点,如图7所示,通过片上开关和存储单元即可实现LED的动态控制。在单个LED的基础上,出境游我们研制了32×32动态发光显示阵列。每个LED发光单元均单片集成了片上控制电路,因此通过片上控制电路可独立控制每个LED的开关状态,可实现动态显示,图8为动态显示的“中国”字样。

图7. CMOS发光二极管和控制电路单片集成

图8. 采用标准CMOS工艺研制的硅发光二极管阵列

CMOS光电探测器与接收电路单片集成

CMOS工艺中众多PN结能够用来实现光电二极管,包括源/漏-衬底PN结、源/漏-阱PN结、以及阱-衬底PN结。然而,这些PN结光电二极管的空间电荷区很窄。在没有电场分布的区域里,光生载流子的缓慢扩散运动限制了这些光电二极管的频率特性。已经报道的这种简单结构探测器构成的CMOS探测器的-3dB带宽都要小于15MHz。为了提高带宽,我们利用P 注入/N阱/P衬底形成叉子型双光电探测器结构。N阱区的面积被为探测器的面积,N阱周围用P 保护环包围。N阱中,利用P 有源区作为叉指型探测器的阳极区域,这种拓扑图形有利于形成最大化的PN结耗尽区,从而有利于光生载流子的收集,尤其是在器件表面附近的载流子。N阱电极与探测器反向偏压相接,一方面可以调节P -N阱耗尽区的宽度,同时可以使N阱-P衬底反偏,从而达到屏蔽扩散载流子的作用。该结构探测器有效屏蔽光生载流子扩散效应对速率的影响,可以实现Gb/s高速探测。图9所示为采用0.35μmCMOS工艺流片研制的探测器和前端接收电路单片集成芯片,单片集成了双光电高速探测器、跨阻放大器、限幅放大器。

图9. 采用标准CMOS工艺研制的探测器和接收电路单片集成芯片

图10为该芯片的瞬态响应测试波形,速率为1Gb/s。光源波长为850nm,光源调制信号为1Gb/s正弦波形,探测器探测产生光电流信号,经前端接收电路放大之后输出和入射光信号一致的波形。

图10. 单片集成光接收芯片瞬态响应测试

上述单片集成硅光探测器接收机只能探测可见光和近红外波段,无法探测通讯波段。为了实现1.3μm和1.55μm通讯波段的探测,我们采用石墨烯作为探测器材料。受益于石墨烯材料的零带隙,石墨烯光电探测器具有超宽的光学带宽,能够覆盖紫外到远红外波段,在不同的光通信波段都能工作,这是其他传统的具有带隙的半导体材料所无法企及的。受益于石墨烯超高的载流子迁移率,石墨烯光电探测器具有超高的电学带宽,理论可达500GHz,有潜力超过目前速率最快的Ⅲ-Ⅴ族光电探测器。且石墨烯光电探测器的制作工艺和硅基集成电路中CMOS工艺兼容,因此可以将石墨烯光电探测器和CMOS前端接收电路单片集成,实现单片集成光接收机功能,实现光电子器件和微电子器件的优势互补,解决现有光接收机中混合集成方案的成本高、难以批量生产、体积大等问题。

为了实现单片集成石墨烯光接收芯片,我们提出了CMOS后工艺集成方案。即将石墨烯光电探测器制备到提前设计、流片后的光接收机前端CMOS电路芯片表面。将石墨烯光电探测器制备到接收电路芯片表面,利用片上跨阻放大器实现石墨烯光电探测器光电流信号的放大和处理。这种基于石墨烯的三维集成光接收机芯片能够继承石墨烯光电探测器的优点,同时有效弥补其缺点,有效减小混合集成方案中不可避免的寄生效应和成本,有潜力实现低成本、高性能的光接收机芯片,从而被大范围应用于光通信系统中。

三维集成光接收机芯片结构示意图如图11所示,石墨烯光电探测器构成光电子层,硅集成电路(integratedcircuit,IC)芯片构成微电子层,实现光电子层和微电子层的三维集成。石墨烯探测器为简单的金属-石墨烯-金属(MGM)结构,将单模光纤对准探测器有源区,能够实现对光纤中光信号的探测。探测器输出的光电流信号,通过互连线传输到底层IC芯片的输入端。这里的硅IC芯片能够实现对微弱光电流的放大,并转换成电压信号输出。

图11. 石墨烯光电探测器和电路单片集成光接收芯片

图12为石墨烯光电探测器表征,图12(a)和图12(b)分别为石墨烯在平坦的标准300nm氧化硅片表面和氮化硅表面(即IC芯片表面)的拉曼光谱。由拉曼光谱可知氮化硅表面未对石墨烯造成明显的损伤。图12(c)为石墨烯探测器SEM图,沟道中颜色较深的为石墨烯。图12(d)给出了石墨烯和氮化硅边界处的原子力显微图(AFM),结果表明氮化硅的粗糙度为1.8nm,覆盖石墨烯后的粗糙度下降为1.6nm。粗糙度的降低表明了石墨烯优良的力学性能。图13为单片集成石墨烯光接收芯片瞬态响应测试,光源为1.55μm通讯波段,黑色波形为石墨烯探测器输出信号,红色波形为经过底层电路放大后的输出信号,底层集成电路具有明显的放大作用,有效提高了信号摆幅。

图12. 石墨烯光电探测器表征

硅基微环滤波器与温控电路单片集成

硅基微环滤波器是硅基光电子中重要的一个器件,具有很多优点,包括体积小,集成度高、功耗低,还可以利用其非线性效应实现在频率变换处理等微波领域的应用。硅基微环滤波器的最大缺点是对温度非常敏感,实际使用时需要对微环的工作温度进行精确的热调谐,因此极大限制了其大规模应用。为了解决这一缺点,我们将微环滤波器和CMOS电路单片集成,通过片上温控电路来自动调谐微环滤波器的温度,从而解决微环滤波器对环境温度敏感的缺点。

图13. 单片集成石墨烯光接收芯片瞬态响应测试

图14为硅基微环滤波器与温控电路单片集成示意图,底层为事先设计的温控电路,通过CMOS工艺流片实现;顶层为微环滤波器,通过CMOS后工艺制作在该IC芯片的表面。该三维集成芯片制作流程为:首先在IC裸芯片表面淀积二氧化硅,其厚度在微米量级以提供有效的隔离;然后采用CMP技术对二氧化硅表面进行平坦化;接着淀积氮化硅,通过ICP刻蚀技术完成包括氮化硅波导器件的制作;最后,淀积顶层的二氧化硅形成上包层,光刻并刻蚀PAD窗口。图15为单片集成硅基微环滤波器芯片照片,图15(a)为通过CSMC1μmCMOS工艺流片的芯片照片,该芯片具有温度传感和控制功能。图15(b)为在该IC芯片表面制作完氮化硅微环滤波器的照片。图16为单片集成硅基微环滤波器光谱响应特性测试,图16(a)和图16(b)分别为非温控状态和温控状态下滤波器的传输谱,其中插图为单个谐振峰的局部放大图。由图16(a)可看出,当环境温度从30℃变化到65℃时,微环滤波器中心波长发生了明显漂移。由图16(b)可看出,温控状态下,滤波器中心波长在宽温度范围内保持稳定,环境温度不会改变滤波器中心波长。滤波器的自由频谱宽度约5.9nm,品质因子约为12000,消光比为9.5dB。对比16(a)和16(b)可知,外界环境温度由30℃变化到65℃时,在无温控状态下,谐振峰发生\了明显的位移;在温控状态下,谐振峰几乎未发生变化,说明温控滤波器芯片的底层CMOS温控电路很好地实现了对微环滤波器工作温度的控制,克服了滤波器谐振峰对环境温度敏感的缺点,实现了超宽的工作温度范围。

图14. 硅基微环滤波器与温控电路单片集成

图15. 单片集成硅基微环滤波器芯片照片

图16. 单片集成硅基微环滤波器光谱响应特性测试

单片集成硅光收发芯片

硅基光电子具有和CMOS工艺兼容的优点,在标准CMOS工艺基础上进行少量定制化的改进即可实现硅基光电子和微电子的大规模单片集成。Luxtera是业界最早从事硅基光电子和微电子研发的公司,最早实现了硅基单片光电集成芯片在高速光通信领域的应用。Luxtera和Freescale合作,对130nm SOI CMOS工艺线进行了改进,并且开发了光电子与微电子集成工艺库及器件模型,对改进后的SOI CMOS工艺制作的光电子器件和微电子器件的性能进行了测试验证和建模。有了工艺库和模型库的支持,即可在统一的集成电路设计环境中进行光电子器件和微电子器件的协同设计,真正实现光电子器件和微电子器件的单片集成。图17是Luxtera推出的世界上首款单片集成硅光收发芯片照片,具有极高的集成度,单片集成了光调制器、光探测器、光栅耦合器、波分复用/解复用器、驱动电路、接收电路,可以实现100Gb/s高速光收发功能。Luxtera凭借其在硅基光电集成领域出色的成果,于2018年12月被Cisco收购。

图17. Luxtera公司研制的单片集成硅光收发芯片

加州大学伯克利分校和麻省理工大学团队基于45nm SOI CMOS工艺研制了单片集成硅光收发芯片,实现了微电子(包括处理器、存储器共7千万个晶体管)和光电子(包括电光调制器、光电探测器、光栅耦合器共850个器件)单片集成,可实现芯片间高速光互连。芯片的截面示意图如图18所示,SOI衬底的顶层硅厚度只有100nm,埋氧层厚度不到200nm,因此顶层硅波导中的光会泄露到衬底。为了减小波导损耗,需要将波导对应的底层衬底硅进行局部刻蚀,确保光场被限制在顶层硅波导中。衬底局部刻蚀之后的硅波导损耗和光栅耦合器损耗分别降低至4.3dB/cm和1.2dB/cm,达到了常见的2μm埋氧层、220nm厚度顶层硅波导的水平。芯片照片如图19所示,光收发机提供了该芯片高速光信号接口,通过引入片外光源,可以实现芯片间高速光互连,首次实现处理器和存储器之间2.5Gb/s光互连。该芯片的处理器和存储器上均单片集成了光发射机和光接收机,其中光发射机由光调制器、光栅耦合器、驱动电路组成,光接收机由光探测器、光栅耦合器、接收电路组成。

图18. 加州大学伯克利分校研制的单片集成硅光收发芯片截面示意图

图19. 加州大学伯克利分校研制的单片集成硅光收发芯片照片

2018年,该团队在Nature上又报道了另一款单片集成硅光收发芯片,该芯片不再采用成本较高的SOICMOS工艺,而是采用了成本更低、更常见的体硅CMOS工艺,代表了目前光电集成最好的水平。芯片的截面示意图如图20所示,为了实现光电子和微电子的单片集成,需要对CMOS工艺做一些改进,增加一些工艺步骤,比如用来做隔离的氧化硅厚度增加到1.5μm,标准的CMOS工艺中STI浅沟隔离的氧化硅厚度远远小于1.5μm。另外需要淀积多晶硅厚度达到220nm,而标准的CMOS工艺中的晶体管栅极多晶硅的厚度也要远远小于这个值。前端CMOS工艺的改变,可能会影响微电子器件的性能,这需要微电子领域专家和光电子领域专家的协同合作。这也是目前我国硅基光电集成领域亟待解决的问题,硅基光电子需要和硅基微电子越来越紧密的融合,而现状却是国内尚无可实现硅基光电集成芯片流片的CMOS工艺平台,现有的CMOS工艺平台尚无为了实现硅基光电子和微电子集成而进行工艺改进的意愿和能力。图21是该团队在65nm CMOS工艺平台上流片研制的12寸光电集成芯片中一个光收发通道的照片。该光电集成芯片的最小重复单元是26mm×32mm,4路波分复用解复用的芯片面积是4.8mm×5mm,集成了几百万个晶体管和几千个光电子器件,包括基于微环的光调制器、光电探测器、光栅耦合器、波分复用器、驱动电路、接收电路等。

3. 硅光在智能领域的应用

硅光集成芯片除了可用于上述光通信领域以外,在智能领域也有重要应用。利用光电子器件和神经元遵从的动力学数学同构性,能够用硅基光电子器件的行为模拟神经元行为,实现基于硅光的类脑器件和神经形态类脑芯片。美国MIT大学实现了深度学习硅光神经网络芯片,可以实现元音字母的识别。该光学神经网络芯片包含56个可编程的MZI相移单位,利用热光效应实现对信号的加权延时,非线性阈值部分采用电脑模拟实现,拓扑连接是一个4输入4输出,含一个隐藏层的前馈网络。光学神经网络芯片的识别率为76.7%,64位传统计算机的识别率为91.7%,通过提高光电器件性能、增加集成度,可以进一步提高识别率。该硅光神经网络芯片的优势在于计算速度和能量效率,计算速度比计算机快2个数量级,能量效率提高5个数量级。美国普林斯顿大学利用微环滤波器和MZI调制器实现小型光学神经网络,实现2输入1输出的循环神经网络和4输入3输出的循环神经网络,实现解含延时和非延时微分方程,在人工智能中有重要应用。Feldmann等采用微环和相变材料结合的结构构建了片上集成的全光神经网络,整体架构采用波分复用的思想,主要利用相变材料的非线性相变特性,实现神经元非线性阈值输出的功能。突触权重部分采用波导和相变材料结合的结构实现,主要利用相变材料的非易失相变特性,实现对权重维持,从而进一步降低功耗。最终实现了单个神经元的监督学习和非监督学习,实现单个和多个神经元对不同输入模式、字母和数字的识别。目前,国际上基于硅光的神经形态类脑芯片正在往更高集成度、更低功耗、更高性能方向发展。

图20. 麻省理工大学研制的单片集成硅光收发芯片截面示意图

图21. 麻省理工大学研制的单片集成硅光收发芯片照片

4. 总结和展望

光电子和微电子集成的源动力既来自于微电子的发展需求,也来自于光电子的发展需求。对于微电子而言,深亚微米下电互连存在严重的延时和功耗问题,迫切需要引入光电子,利用光互连解决电互连的问题。对于光电子而言,需要借助成熟的微电子加工工艺平台,实现大规模、高集成度、高成品率、低成本的批量化生产。

硅基光电子具有和成熟的CMOS微电子工艺兼容的优势,是实现光电子和微电子集成的最佳方案。随着硅基光电子技术的成熟,以及微电子技术在后摩尔时代的横向扩展,硅基光电子将会和微电子大规模单片集成。集成度更高、性能更好、成本更低的硅基光电集成芯片将会涌现,并广泛用于通信、传感、智能等领域。

文献引用:

黄北举, 张赞, 张赞允, 等. 硅基光电子与微电子单片集成研究进展[J]. 微纳电子与智能制造, 2019, 1(3): 55-67.

HUANG Beiju, ZHANG Zan, ZHANG Zanyun, et al. Research progress on monolithic integration of silicon based optoelectronics with microelectronics[J]. Micro/nano Electronics and Intelligent Manufacturing, 2019, 1(3): 55-67.

《微纳电子与智能制造》刊号:CN10-1594/TN

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