Optoelektrooniline integreerimismeetod

Optoelektroonikaintegreerimismeetod

Integratsioonfotoonikaja elektroonika on oluline samm infotöötlussüsteemide võimekuse parandamisel, võimaldades kiiremat andmeedastuskiirust, väiksemat energiatarbimist ja kompaktsemaid seadmekonstruktsioone ning avades tohutuid uusi võimalusi süsteemide disainimiseks. Integreerimismeetodid jagunevad üldiselt kahte kategooriasse: monoliitne integratsioon ja mitmekiibiline integratsioon.

Monoliitne integratsioon
Monoliitne integratsioon hõlmab footon- ja elektroonikakomponentide tootmist samale aluspinnale, tavaliselt ühilduvate materjalide ja protsesside abil. See lähenemisviis keskendub sujuva liidese loomisele valguse ja elektri vahel ühe kiibi piires.
Eelised:
1. Vähendage ühenduskaod: footonite ja elektroonikakomponentide lähestikku paigutamine minimeerib kiibiväliste ühendustega seotud signaalikadusid.
2. Parem jõudlus: tihedam integratsioon võib lühemate signaaliteede ja väiksema latentsuse tõttu kaasa tuua kiirema andmeedastuskiiruse.
3, Väiksem suurus: Monoliitne integratsioon võimaldab luua väga kompaktseid seadmeid, mis on eriti kasulik ruumipiiranguga rakenduste, näiteks andmekeskuste või pihuarvutite jaoks.
4, vähendage energiatarbimist: kaotage vajadus eraldi pakendite ja pikamaaühenduste järele, mis võib oluliselt vähendada energiatarbimist.
Väljakutse:
1) Materjalide ühilduvus: materjalide leidmine, mis toetavad nii kvaliteetseid elektrone kui ka footonfunktsioone, võib olla keeruline, kuna need nõuavad sageli erinevaid omadusi.
2, protsesside ühilduvus: elektroonika ja footonite erinevate tootmisprotsesside integreerimine samale aluspinnale ilma ühegi komponendi jõudlust halvendamata on keeruline ülesanne.
4, Kompleksne tootmine: Elektrooniliste ja footonstruktuuride jaoks vajalik suur täpsus suurendab tootmise keerukust ja kulusid.

Mitmekiibiline integratsioon
See lähenemisviis võimaldab iga funktsiooni materjalide ja protsesside valimisel suuremat paindlikkust. Selle integratsiooni puhul pärinevad elektroonilised ja footonkomponendid erinevatest protsessidest ning seejärel pannakse need kokku ja asetatakse ühisele pakendile või aluspinnale (joonis 1). Nüüd loetleme optoelektrooniliste kiipide vahelised ühendusviisid. Otseühendus: See tehnika hõlmab kahe tasapinna otsest füüsilist kontakti ja ühendamist, mida tavaliselt hõlbustavad molekulaarsed sidemejõud, kuumus ja rõhk. Selle eeliseks on lihtsus ja potentsiaalselt väga väikese kaduga ühendused, kuid see nõuab täpselt joondatud ja puhtaid pindu. Kiud/võre sidestus: Selle skeemi puhul on kiud või kiudude massiiv joondatud ja ühendatud footonkiibi serva või pinnaga, võimaldades valgusel kiibi sisse ja välja ühenduda. Võre saab kasutada ka vertikaalseks ühendamiseks, parandades valguse edastamise efektiivsust footonkiibi ja välise kiu vahel. Läbivad räniaugud (TSV-d) ja mikromuhud: Läbivad räniaugud on vertikaalsed ühendused läbi ränisubstraadi, mis võimaldavad kiipe kolmemõõtmeliselt virnastada. Koos mikrokumerate punktidega aitavad need luua elektrilisi ühendusi elektrooniliste ja footonkiipide vahel virnastatud konfiguratsioonides, mis sobivad suure tihedusega integreerimiseks. Optiline vahekiht: optiline vahekiht on eraldi substraat, mis sisaldab optilisi lainejuhte, mis toimivad vahendajana optiliste signaalide suunamiseks kiipide vahel. See võimaldab täpset joondamist ja täiendavaid passiivseid...optilised komponendidsaab integreerida suurema ühenduste paindlikkuse tagamiseks. Hübriidühendus: see täiustatud ühendustehnoloogia ühendab otseühenduse ja mikrokiipide tehnoloogia, et saavutada kiipide ja kvaliteetsete optiliste liideste vahel suure tihedusega elektriühendused. See on eriti paljutõotav suure jõudlusega optoelektroonilise kointegratsiooni jaoks. Jootekolbide ühendus: sarnaselt flip-chip bondinguga kasutatakse jootekolbide abil elektriühendusi. Optoelektroonilise integratsiooni kontekstis tuleb aga pöörata erilist tähelepanu footonkomponentide termilise pinge põhjustatud kahjustuste vältimisele ja optilise joonduse säilitamisele.

Joonis 1: Elektroni/footoni kiibi-kiibi sidumisskeem

Nende lähenemisviiside eelised on märkimisväärsed: kuna CMOS-maailm järgib jätkuvalt Moore'i seaduse täiustusi, on võimalik iga CMOS-i või Bi-CMOS-i põlvkonda kiiresti kohandada odavale ränifotoonikiibile, kasutades ära fotoonika ja elektroonika parimate protsesside eeliseid. Kuna fotoonika ei nõua üldiselt väga väikeste struktuuride valmistamist (tüüpilised on umbes 100 nanomeetri suurused võtmed) ja seadmed on transistoridega võrreldes suured, kipuvad majanduslikud kaalutlused suruma fotoonikaseadmeid tootma eraldi protsessis, mis on eraldatud lõpptoote jaoks vajalikust täiustatud elektroonikast.
Eelised:
1, paindlikkus: Elektrooniliste ja fotooniliste komponentide parima jõudluse saavutamiseks saab erinevaid materjale ja protsesse kasutada iseseisvalt.
2, protsessi küpsus: küpsete tootmisprotsesside kasutamine iga komponendi jaoks võib tootmist lihtsustada ja kulusid vähendada.
3, Lihtsam uuendamine ja hooldus: Komponentide eraldamine võimaldab üksikuid komponente hõlpsamini asendada või uuendada, ilma et see mõjutaks kogu süsteemi.
Väljakutse:
1, ühenduskaotus: kiibiväline ühendus põhjustab täiendavat signaalikaotust ja võib nõuda keerukaid joondamisprotseduure.
2, suurenenud keerukus ja suurus: üksikud komponendid vajavad täiendavat pakendamist ja ühendusi, mille tulemuseks on suuremad suurused ja potentsiaalselt kõrgemad kulud.
3, suurem energiatarve: Pikemad signaaliteed ja täiendav pakend võivad suurendada energiatarvet võrreldes monoliitse integratsiooniga.
Järeldus:
Monoliitse ja mitmekiibilise integratsiooni vahel valimine sõltub rakenduspõhistest nõuetest, sealhulgas jõudluseesmärkidest, suurusepiirangutest, kulukaalutlustest ja tehnoloogia küpsusest. Vaatamata tootmise keerukusele on monoliitne integratsioon eeliseks rakendustes, mis nõuavad äärmist miniaturiseerimist, väikest energiatarbimist ja kiiret andmeedastust. Selle asemel pakub mitmekiibiline integratsioon suuremat disainipaindlikkust ja kasutab ära olemasolevaid tootmisvõimalusi, muutes selle sobivaks rakendusteks, kus need tegurid kaaluvad üles tihedama integratsiooni eelised. Uuringute edenedes uuritakse ka hübriidlähenemisi, mis ühendavad mõlema strateegia elemente, et optimeerida süsteemi jõudlust, leevendades samal ajal mõlema lähenemisviisiga seotud väljakutseid.