Optoelektrooniline integratsioonimeetod

Optoelektroonikaintegratsiooni meetod

Integreeriminefotoonikaja elektroonika on oluline samm infotöötlussüsteemide võimekuse parandamisel, võimaldades kiiremat andmeedastuskiirust, väiksemat energiatarbimist ja kompaktsemat seadmete disaini ning avades tohutult uusi võimalusi süsteemi kujundamisel. Integreerimismeetodid jagunevad üldiselt kahte kategooriasse: monoliitne integreerimine ja mitme kiibi integreerimine.

Monoliitne integratsioon
Monoliitne integreerimine hõlmab fotooniliste ja elektrooniliste komponentide tootmist samal substraadil, kasutades tavaliselt ühilduvaid materjale ja protsesse. See lähenemisviis keskendub sujuva liidese loomisele valguse ja elektri vahel ühes kiibis.
Eelised:
1. Vähendage ühenduste kadusid: footonite ja elektrooniliste komponentide vahetusse lähedusse paigutamine minimeerib kiibiväliste ühendustega seotud signaalikadusid.
2, Parem jõudlus: tihedam integreerimine võib lühemate signaaliteede ja väiksema latentsusaja tõttu kaasa tuua kiirema andmeedastuskiiruse.
3, väiksem suurus: monoliitne integreerimine võimaldab väga kompaktseid seadmeid, mis on eriti kasulik piiratud ruumiga rakenduste jaoks, nagu andmekeskused või pihuseadmed.
4, vähendage energiatarbimist: kõrvaldage vajadus eraldi pakettide ja kaugühenduste järele, mis võib oluliselt vähendada energiavajadust.
Väljakutse:
1) Materjalide ühilduvus: nii kvaliteetseid elektrone kui ka fotoonfunktsioone toetavate materjalide leidmine võib olla keeruline, kuna neil on sageli vaja erinevaid omadusi.
2, protsessi ühilduvus: elektroonika ja footonite erinevate tootmisprotsesside integreerimine samale substraadile ilma ühegi komponendi jõudlust halvendamata on keeruline ülesanne.
4, keeruline tootmine: elektrooniliste ja fotonoonsete struktuuride jaoks vajalik suur täpsus suurendab valmistamise keerukust ja maksumust.

Mitme kiibi integreerimine
See lähenemisviis võimaldab suuremat paindlikkust materjalide ja protsesside valimisel iga funktsiooni jaoks. Selles integratsioonis pärinevad elektroonilised ja fotoonilised komponendid erinevatest protsessidest ning seejärel monteeritakse need kokku ja asetatakse ühisele pakendile või substraadile (joonis 1). Nüüd loetleme optoelektrooniliste kiipide vahelised sidumisrežiimid. Otsene sidumine: see tehnika hõlmab kahe tasapinnalise pinna otsest füüsilist kontakti ja sidumist, mida tavaliselt soodustavad molekulaarsed sidemejõud, kuumus ja rõhk. Selle eeliseks on lihtsus ja potentsiaalselt väga madala kaotusega ühendused, kuid see nõuab täpselt joondatud ja puhtaid pindu. Kiu/resti ühendus: selles skeemis on kiud või kiu massiiv joondatud ja ühendatud fotoonilise kiibi serva või pinnaga, võimaldades valgust kiibile ja sealt välja ühendada. Võre saab kasutada ka vertikaalseks sidumiseks, parandades valguse ülekande efektiivsust fotoonkiibi ja välise kiu vahel. Läbivad räniaugud (TSV-d) ja mikrokonarused: Räni läbivad augud on vertikaalsed ühendused läbi ränisubstraadi, mis võimaldab kiipe kolmemõõtmeliselt virnastada. Koos mikrokumerate punktidega aitavad need saavutada virnastatud konfiguratsioonides elektriühendusi elektrooniliste ja fotoonkiipide vahel, mis sobivad suure tihedusega integreerimiseks. Optiline vahekiht: optiline vahekiht on eraldi substraat, mis sisaldab optilisi lainejuhte, mis toimivad vahendajana optiliste signaalide suunamisel kiipide vahel. See võimaldab täpset joondamist ja täiendavat passiivsetoptilised komponendidÜhenduse paindlikkuse suurendamiseks saab integreerida. Hübriidside: see täiustatud liimimistehnoloogia ühendab otseliimimise ja mikrotõmbetehnoloogia, et saavutada suure tihedusega elektriühendused kiipide ja kvaliteetsete optiliste liideste vahel. See on eriti paljutõotav suure jõudlusega optoelektroonilise kointegratsiooni jaoks. Jootemuhvide ühendamine: Sarnaselt flip chip-liimimisele kasutatakse elektriühenduste loomiseks jootemuhke. Kuid optoelektroonilise integratsiooni kontekstis tuleb erilist tähelepanu pöörata fotooniliste komponentide termilise pinge põhjustatud kahjustuste vältimisele ja optilise joonduse säilitamisele.

Joonis 1: : Elektron/footon kiip-kiibi sidumise skeem

Nende lähenemisviiside eelised on märkimisväärsed: kuna CMOS-i maailm järgib jätkuvalt Moore'i seaduse täiustusi, on võimalik kiiresti kohandada iga CMOS-i või Bi-CMOS-i põlvkond odavale ränifotoonkiibile, kasutades ära parimatest protsessidest fotoonika ja elektroonika. Kuna fotoonika ei nõua üldiselt väga väikeste struktuuride valmistamist (tüüpilised võtmed on umbes 100 nanomeetrit) ja seadmed on transistoridega võrreldes suured, kipuvad majanduslikud kaalutlused sunnima fotoonseadmeid tootma eraldi protsessis, mis on eraldatud kõigist arenenud seadmetest. lõpptoote jaoks vajalik elektroonika.
Eelised:
1, paindlikkus: erinevaid materjale ja protsesse saab kasutada iseseisvalt, et saavutada elektrooniliste ja fotooniliste komponentide parim jõudlus.
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, ühenduse katkemine: kiibiväline ühendus toob kaasa täiendava signaalikadu ja võib nõuda keerulisi joondusprotseduure.
2, suurenenud keerukus ja suurus: üksikud komponendid nõuavad täiendavat pakkimist ja omavahelisi ühendusi, mille tulemuseks on suuremad suurused ja potentsiaalselt suuremad kulud.
3, suurem energiatarve: pikemad signaaliteed ja täiendav pakend võivad monoliitse integreerimisega võrreldes suurendada energiavajadust.
Järeldus:
Valik monoliitse ja mitme kiibi integreerimise vahel sõltub rakendusespetsiifilistest nõuetest, sealhulgas jõudluseesmärkidest, suurusepiirangutest, kulukaalutlustest ja tehnoloogia küpsusest. Vaatamata tootmise keerukusele on monoliitne integreerimine kasulik rakenduste jaoks, mis nõuavad äärmist miniatuursust, madalat energiatarbimist ja kiiret andmeedastust. Selle asemel pakub mitme kiibi integreerimine suuremat disaini paindlikkust ja kasutab olemasolevaid tootmisvõimalusi, muutes selle sobivaks rakendustele, kus need tegurid kaaluvad üles tihedama integratsiooni eelised. Teadustöö edenedes uuritakse ka mõlema strateegia elemente ühendavaid hübriidlähenemisi, et optimeerida süsteemi jõudlust, leevendades samas iga lähenemisviisiga seotud väljakutseid.