Optoelektronisk integrationsmetod

Optoelektroniskintegrationsmetod

Integrationen avfotonikoch elektronik är ett nyckelsteg för att förbättra kapaciteten hos informationsbehandlingssystem, vilket möjliggör snabbare dataöverföringshastigheter, lägre strömförbrukning och mer kompakt enhetsdesign, och öppnar upp för stora nya möjligheter för systemdesign. Integrationsmetoder är generellt indelade i två kategorier: monolitisk integration och multi-chip integration.

Monolitisk integration
Monolitisk integration innebär tillverkning av fotoniska och elektroniska komponenter på samma substrat, vanligtvis med hjälp av kompatibla material och processer. Detta tillvägagångssätt fokuserar på att skapa ett sömlöst gränssnitt mellan ljus och elektricitet inom ett enda chip.
Fördelar:
1. Minska sammankopplingsförluster: Genom att placera fotoner och elektroniska komponenter i närheten minimerar signalförlusterna i samband med off-chip-anslutningar.
2, Förbättrad prestanda: Tätare integration kan leda till snabbare dataöverföringshastigheter på grund av kortare signalvägar och minskad latens.
3, Mindre storlek: Monolitisk integration möjliggör mycket kompakta enheter, vilket är särskilt fördelaktigt för utrymmesbegränsade applikationer, såsom datacenter eller handhållna enheter.
4, minska strömförbrukningen: eliminera behovet av separata paket och långväga sammankopplingar, vilket avsevärt kan minska strömbehovet.
Utmaning:
1) Materialkompatibilitet: Att hitta material som stöder både högkvalitativa elektroner och fotoniska funktioner kan vara utmanande eftersom de ofta kräver olika egenskaper.
2, processkompatibilitet: Att integrera de olika tillverkningsprocesserna för elektronik och fotoner på samma substrat utan att försämra prestandan hos någon komponent är en komplex uppgift.
4, Komplex tillverkning: Den höga precision som krävs för elektroniska och fotononiska strukturer ökar komplexiteten och kostnaden för tillverkningen.

Multi-chip integration
Detta tillvägagångssätt möjliggör större flexibilitet vid val av material och processer för varje funktion. I denna integration kommer de elektroniska och fotoniska komponenterna från olika processer och sätts sedan ihop och placeras på ett gemensamt paket eller substrat (Figur 1). Låt oss nu lista bindningslägena mellan optoelektroniska chips. Direkt bindning: Denna teknik involverar direkt fysisk kontakt och bindning av två plana ytor, vanligtvis underlättad av molekylära bindningskrafter, värme och tryck. Det har fördelen av enkelhet och potentiellt mycket låga förlustanslutningar, men kräver exakt inriktade och rena ytor. Fiber/gitter-koppling: I detta schema är fibern eller fiberuppsättningen inriktad och bunden till kanten eller ytan av fotonchippet, vilket tillåter ljus att kopplas in och ut ur chipet. Gallret kan också användas för vertikal koppling, vilket förbättrar effektiviteten av ljusöverföringen mellan fotonchipet och den externa fibern. Genomgående kiselhål (TSV) och mikrobulor: Genomgående kiselhål är vertikala sammankopplingar genom ett kiselsubstrat, vilket gör att chipsen kan staplas i tre dimensioner. I kombination med mikrokonvexa punkter hjälper de till att uppnå elektriska anslutningar mellan elektroniska och fotoniska chips i staplade konfigurationer, lämpliga för integration med hög densitet. Optiskt mellanliggande skikt: Det optiska mellanskiktet är ett separat substrat som innehåller optiska vågledare som fungerar som en mellanhand för dirigering av optiska signaler mellan chips. Det möjliggör exakt inriktning och ytterligare passivoptiska komponenterkan integreras för ökad anslutningsflexibilitet. Hybridbindning: Denna avancerade bindningsteknik kombinerar direktbindning och mikrobump-teknik för att uppnå elektriska anslutningar med hög densitet mellan chips och högkvalitativa optiska gränssnitt. Det är särskilt lovande för högpresterande optoelektronisk samintegration. Lödbultsbindning: På samma sätt som flip chip-bindning används lödbultar för att skapa elektriska anslutningar. I samband med optoelektronisk integration måste dock särskild uppmärksamhet ägnas åt att undvika skador på fotoniska komponenter orsakade av termisk stress och att upprätthålla optisk inriktning.

Figur 1: : Elektron/foton chip-till-chip bindningsschema

Fördelarna med dessa tillvägagångssätt är betydande: Eftersom CMOS-världen fortsätter att följa förbättringar i Moores lag kommer det att vara möjligt att snabbt anpassa varje generation av CMOS eller Bi-CMOS till ett billigt fotoniskt kiselchip, vilket skördar frukterna av de bästa processerna i fotonik och elektronik. Eftersom fotonik i allmänhet inte kräver tillverkning av mycket små strukturer (nyckelstorlekar på cirka 100 nanometer är typiska) och enheter är stora jämfört med transistorer, kommer ekonomiska överväganden att tendera att tvinga fotoniska enheter att tillverkas i en separat process, separerad från alla avancerade elektronik som krävs för slutprodukten.
Fördelar:
1, flexibilitet: Olika material och processer kan användas oberoende för att uppnå bästa prestanda för elektroniska och fotoniska komponenter.
2, processmognad: användningen av mogna tillverkningsprocesser för varje komponent kan förenkla produktionen och minska kostnaderna.
3, Enklare uppgradering och underhåll: Separationen av komponenter gör att enskilda komponenter kan bytas ut eller uppgraderas lättare utan att påverka hela systemet.
Utmaning:
1, sammankopplingsförlust: Off-chip-anslutningen introducerar ytterligare signalförlust och kan kräva komplexa inriktningsprocedurer.
2, ökad komplexitet och storlek: Enskilda komponenter kräver ytterligare paketering och sammankopplingar, vilket resulterar i större storlekar och potentiellt högre kostnader.
3, högre strömförbrukning: Längre signalvägar och ytterligare paketering kan öka strömbehovet jämfört med monolitisk integration.
Slutsats:
Att välja mellan monolitisk och multi-chip integration beror på applikationsspecifika krav, inklusive prestationsmål, storleksbegränsningar, kostnadsöverväganden och teknologisk mognad. Trots tillverkningskomplexiteten är monolitisk integration fördelaktig för applikationer som kräver extrem miniatyrisering, låg energiförbrukning och höghastighetsdataöverföring. Istället erbjuder integration med flera kretsar större designflexibilitet och utnyttjar befintliga tillverkningsmöjligheter, vilket gör den lämplig för applikationer där dessa faktorer överväger fördelarna med en tätare integration. Allt eftersom forskningen fortskrider undersöks också hybridmetoder som kombinerar delar av båda strategierna för att optimera systemets prestanda samtidigt som utmaningarna förknippas med varje tillvägagångssätt mildras.