美國(guó)用CMOS工藝有望打造高速低功耗光電子芯片

  近日，美國(guó)麻省理工學(xué)院等高校開(kāi)發(fā)了一種新的制造工藝，采用現(xiàn)代互補(bǔ)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(shí)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(duì)原有設(shè)計(jì)進(jìn)行微調(diào)。新的研究成果刊登到最新一期(4月18日)的國(guó)際知名學(xué)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(guó)國(guó)防先期研究計(jì)劃局(DARPA)部分資助下，由美國(guó)麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)伯克利分校和波士頓大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)宣布了一項(xiàng)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(shí)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(shí)，需要電子器件的硅層足夠厚，以集成光學(xué)器件。

  新技術(shù)成果

  近日，同樣由麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)伯克利分校和波士頓大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的18位研究人員組成的團(tuán)隊(duì)報(bào)告了另一項(xiàng)重大突破：獨(dú)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(lái)實(shí)現(xiàn)。

  除了用于執(zhí)行計(jì)算的數(shù)百萬(wàn)晶體管之外，研究人員開(kāi)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(cè)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(shí)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(gè)大的硅晶體熔合到沉積在一個(gè)單獨(dú)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(duì)于光子技術(shù)和電子技術(shù)都很有用，但對(duì)于多晶硅，則在光學(xué)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(xué)效率。小晶體多晶硅散射的光線較少，但不是一個(gè)好的導(dǎo)體。

  利用紐約州立大學(xué)納米科學(xué)與工程學(xué)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(shí)間，最后他們找到了一種能在電子和光學(xué)特性之間提供最佳折衷的方法。

  重大意義

  麻省理工學(xué)院電子研究實(shí)驗(yàn)室的研究科學(xué)家、新研究成果的三位第一作者之一Amir Atabaki表示：“這項(xiàng)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(lái)通信和計(jì)算芯片提供強(qiáng)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(huì)說(shuō)，‘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?cè)诟倪M(jìn)片上光學(xué)性能的過(guò)程中不必做太多改變?！?

  從電子通信向光通信的轉(zhuǎn)變對(duì)芯片制造商很有吸引力，因?yàn)?A href="http://odinmetals.com/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e5%85%89%e9%80%9a%e4%bf%a1&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">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(shì)將變得越來(lái)越重要：美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)(SIA)估計(jì)，按目前的增長(zhǎng)速度計(jì)算，到2040年，計(jì)算機(jī)的功率需求將超過(guò)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(jìn)一步降低功耗。目前市場(chǎng)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(huì)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?yàn)閷㈦娮雍凸庾悠骷傻酵恍酒系男路椒ㄊ笰tabaki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(jì)。

  Atabaki解釋說(shuō)：“我們可以使用光子體系結(jié)構(gòu)。通常來(lái)講，如果沒(méi)有集成電子器件，就無(wú)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(dāng)大的電子能力，現(xiàn)在已經(jīng)沒(méi)有使用光學(xué)諧振器的商業(yè)光學(xué)收發(fā)器。”

  原標(biāo)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(gè)硅芯片，有望為未來(lái)通信和計(jì)算提供高速低功耗光電子芯片