導讀
近日，美國波士頓大學、麻省理工學院、加州大學伯克利分校、科羅拉多大學波爾得分校科研人員組成的團隊開發一種新的製造方案，在塊狀硅襯底上，讓光子器件與電子器件集成到一起。
背景
目前，微電子芯片的電信號傳輸方面存在瓶頸，通過電線傳輸數據的傳統方法，傳輸速度和距離都受到限制，而且能耗和發熱都很大。時下，電子器件正不斷趨向更高的性能與更低的功耗，傳統方法的瓶頸正日益凸顯。
為了突破這一瓶頸，光學數據傳輸有望成為僅有的幾個候選方案之一。光纖的數據傳輸速率是電線的近千倍，能耗也相對較低，還可以發送更高頻率的數據。在光纖中，你可以使用多種不同顏色的光線，每種顏色的光線都具有一個數據通道。此外，相比於銅線，光纖也可以更加緊密地包裝在一起，且不會存在電信頻道之間的串話干擾。
可是，在單個硅芯片上集成電子器件和光子器件，受到了現有半導體制造工藝的制約。具體來說，就是硅電子器件與光子器件使用的材料平臺無法相互兼容，大部分的電子器件採用塊狀硅襯底，而光子器件則採用絕緣襯底上的硅（ silicon-on-insulator ）平臺。
創新
近日，美國波士頓大學、麻省理工學院、加州大學伯克利分校、科羅拉多大學波爾得分校科研人員組成的團隊開發一種新的製造方案，在塊狀硅襯底上，讓光子器件與電子器件集成到一起。4月19日，相關論文發表於《自然》雜誌。
（圖片來源：Amir Atabaki）
研究成果始於美國國防部高級研究計劃局贊助的一個持續幾年的項目，該項目由加州大學伯克利分校副教授 Vladimir Stojanovic、麻省理工學院教授 Rajeev Ram、波士頓大學助理教授 Milos Popovic 領導。他們也和位於奧爾巴尼的紐約州立大學納米科學與工程學院（CNSE）的半導體制造研究團隊展開了合作。
技術
2015年，首個旨在克服芯片電信號傳輸瓶頸的主要成果誕生。該研究小組在《自然》雜誌上發表的另外一篇論文中對成果進行了闡述。但是，這一方案只能應用於少量最先進的微電子芯片中，無法適用於目前最流行的採用塊狀硅襯底的芯片。
（圖片來源：CNSE Albany）
那篇論文展示出世界上首個具備光學數據傳輸功能的微處理器，以及一種不改變原始製造工藝的方法。研究人員也稱這一概念為“零改變技術”。以Popovic 作為合作創始人的創業公司 Ayar Labs，近期與著名的半導體制造商 GlobalFoundries 一起對這項技術進行商業化。
儘管，這一初始解決方案的商業影響顯著，特別是在數據通信領域。但是，由於初始材料（絕緣襯底上的硅）成本較高，其最終應用性受限。為了開發適用於所有硅微電子器件的方案，研究人員需要採用占主導地位的低成本襯底，也就是塊狀硅。塊狀硅用於製造大部分的普通硅芯片，例如筆記本電腦與智能手機中使用的。絕緣襯底上的硅，比塊狀硅的性能更好，但是成本較高，所以只能應用於特定的高端微處理器。
塊狀硅與絕緣襯底上的硅之間的區別是：後者具有直接位於硅薄層之下的絕緣層（非常純淨的玻璃），但是前者沒有。玻璃作為光子屏障，讓光子陷入設備的光波導中。沒有玻璃屏障，光信號將會丟失。
在這篇最新的論文中，研究人員展示一種新的製造方案，適用於基於塊狀硅的芯片。該光學器件的半導體制造方案可以無縫接入現有半導體工業製造工藝中去。
電子工業中，互補金屬氧化物半導體（CMOS）廣泛用於製造計算機處理器、內存、通信芯片以及圖像傳感器。CMOS技術需要塊狀硅襯底或者超薄絕緣襯底上的硅晶圓。然而，由於塊狀硅供應鏈充足且成本低廉，所以占主導地位。相比而言，硅光子器件通常需要厚的絕緣襯底上的硅晶圓。對於計算機內存為代表的應用來說，其供應鏈受限且成本較高。因此，長期目標就是利用CMOS製造技術和材料平臺，集成電子與光子元件，且不影響其性能。
在這項研究中，研究人員成功地將光子器件集成到塊狀硅CMOS芯片中。他們採用標準的CMOS製造技術，在製造工藝中引入少量變化，從而在塊狀硅中創造出光子器件區域。這些光子器件在晶體管處理期間集成。這包括，在塊狀硅中添加一個由絕緣體材料二氧化硅形成的“孤島”，並在其頂部沉積多晶硅薄膜，從而形成了絕緣襯底上的硅。光子器件會從這個絕緣襯底上的硅區域製造出來，而晶體管則會在CMOS芯片上標準的塊狀硅區域形成。
價值
這一新型平臺將光子器件帶入最先進的塊狀硅微電子芯片中，帶來更快更節能的通信，並將為光電子系統芯片的量產鋪平道路，極大地改善計算設備與移動設備。
除傳統數據通信之外，其應用還包括圖像和數據識別任務中的深度學習神經網絡的訓練，無人駕駛汽車中採用的低成本紅外激光雷達傳感器、智能手機人臉識別技術以及增強現實技術。
此外，光學使能的芯片將帶來新型的數據安全和硬件鑑權、應用於第五代（5G）無線通信網絡的更加強大的芯片、量子信息處理器件和量子計算器件。
關鍵字
半導體、芯片、電子、光子、工藝
【1】http://www.bu.edu/eng/2018/04/18/a-new-era-of-microelectronics/
【2】https://www.nature.com/articles/d41586-018-04443-3
【3】https://www.nature.com/articles/nature16454
【4】https://www.nature.com/articles/s41586-018-0028-z
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