摩尔的隧道尽头有光吗

电子速度慢，动作笨拙，而且很容易分心。它们之所以慢，是因为现在信号穿过芯片的时间比时钟信号的周期要长。当它们与其他原子碰撞时，它们通常不会沿直线运动。相邻信号之间的电磁干扰会干扰它们传递的信息。

另一方面，光没有这些问题。它以光速传播，可以穿过另一束光的路径，不容易受到外界干扰的影响。唯一的问题是，相比之下，电子很便宜，很容易被引导去做你想做的事情，而且我们有几十年的使用经验。

直到20世纪80年代，电话系统的长途线路都使用铜线。虽然光纤的原理在100多年前就已经为人所知，但直到康宁设法降低了衰减水平，它才被用作金属线的替代品。它的优势是如此深刻，以至于用不了多久，所有用于长途通信的铜就被取代了。从那时起，半导体行业就一直希望在芯片之间使用光学互连，但一直存在重大的技术和经济障碍。我们可能正在接近这样的时刻:情况将不再如此。

数据中心机架设备之间的连接受到越来越多的关注。今天，CAT-5或同轴铜正在使用，但带宽的增加是必要的，而且越来越难以实现。甲骨文的首席技术专家A.V. Krishnamoorthy最近表示，他预计在五年内，所有服务器连接都将基于运行在25G或更高速率的光子学。此外，他们期望使用光子学作为互连的晶圆级服务器。

eSilicon高级工程总监Javier DeLaCruz说:“硅光子学将变得至关重要，因为目前在一个20mm × 20mm的给定区域内只能容纳这么多东西。”“但是使用硅光子学可以减少大量嵌入式内存，并提高处理能力，从而更快地访问内存。背板变成了一个电力输送系统。你不必担心数以百计的serde。”

尽管如此，在光子学迷宫的道路上仍然充斥着必须做出的艰难选择，因为在一些选择中存在一些艰难的依赖关系。

两条路径
目前业界对实现硅基电子和光子学集成的最佳方式存在分歧。直到最近，完全集成在硅上的概念是不可能的，即使这被描述为圣杯，其他人不同意这种方法。但现在有两种潜在的相互竞争的方法在硅上构建一切，使解决方案更加复杂。第二种基本方法是使用异质芯片，并将它们作为倒装芯片或使用3D堆叠连接在一起。有一件事是明确的，在这个决定中有很多因素需要权衡，本文打算探讨一些更大的问题。

硅的困难
激光是一种可以产生或放大光以产生相干光子束的设备。要做到这一点，它必须被激发，以激发电子进入一个更高的能量状态，并实现人口反转。当电子衰变时，它们发射出一个光子。这种操作叫做抽气。为了产生足够强的光束，光学反馈被用来允许光子多次通过介质。把硅变成激光材料一直是个挑战。

“硅并不是一种直接的带隙材料，”Mentor Graphics的工程总监胡安·雷伊(Juan Rey)说，“正因为如此，它不可能产生足够功率的激光。”在硅中，导带最小值和价带最大值不对应于k空间中的同一点(一种用动量空间中定义的波状状态来描述晶体结构的方法)。因此，靠近导带边缘的电子和靠近价带边缘的空穴具有不同的动量，不能直接重组来发射光子。

由于这个问题，激光器、探测器和调制器都依赖于III-V族半导体(由III族元素如铟或镓和V族元素如砷制成的化合物)。例如，磷酸铟(InP)和砷化铟镓(InGaAs)具有非常适合这类应用的光学特性。然而，这些都是具有挑战性的和昂贵的集成使用CMOS处理。

最近，IMEC成功证明了第一个III-V型化合物半导体finFET器件外延集成在300mm硅片上。Imec的突破性工艺选择性地用InGaAs或InP取代硅翅片，可容纳近8%的原子晶格不匹配。这项新技术基于晶体缺陷的纵横比捕获、沟槽结构和外延工艺的创新。人们希望这不仅能制造出比硅更小的晶体管，而且上述两种材料也是光电子学的重要材料，这意味着光学器件可以直接集成到电子器件中。

“现在你在制造过程中有了一种共同的材料，你可以把两者结合起来，”Si2的首席建筑师凯文·内斯史密斯(Kevin nessmith)说。“在宣布这个消息之前，你必须拿出胶枪。”

然而，硅的光学放大和激光最近已经实现了基于一种叫做拉曼激光器的设备，英特尔已经演示了这种设备。英特尔表示，由于硅拉曼放大器非常紧凑，它们可以直接与其他硅光子元件集成在一起，通过被动对准将泵浦激光器直接连接到硅上。因为任何光学器件(如调制器)都会产生损耗，集成放大器可以用来抵消这些损耗。其结果可能是无损硅光子器件。

拉曼效应可用于从单个泵浦光束产生不同波长的激光。当泵浦光束进入材料时，光线分裂到不同的激光腔中，这些腔中有集成硅滤光片制成的镜子。然后这些数据可以被多路复用，在一根玻璃纤维上发送多个数据流。英特尔最近宣布的50Gbps解决方案使用了四个混合硅激光器，这些激光器是在制造过程中在硅波导上融合一层磷化铟而产生的。

来源:连续硅激光器．英特尔公司

Mentor Graphics负责Calibre DRC应用程序的产品营销经理John Ferguson对此并不确定。“激光需要很大的能量，而且很热，所以把它放在堆栈上有风险。然而，它们可以像电源一样工作，单个激光可以提供许多连接所需的光束。它可以被分割，定向到需要调制、传输和检测的地方。”

这导致我们考虑另一种可能性——异构集成。

异构集成
与片上系统(SoC)方法相比，3D集成背后的关键驱动因素之一是降低了设计和制造复杂性。器件的单个组件可以在不同的晶圆上、不同的晶圆厂或由不同的公司制造。这使得模块化方法成为可能，异构组件可以集成在一起，并允许利用物理IP块。

例如氮化镓(GaN)，一种经常用于制造led、激光器和其他光子元件的材料，通常被放在蓝宝石或碳化硅衬底上。主要原因是它们的晶体结构相似，这有很多优点。然而，这种衬底不仅对逻辑不好，而且晶圆通常是2英寸或4英寸的晶圆，而不是硅通常使用的10英寸或12英寸。所以这两种基板对两者都不是理想的。答案是用理想的材料制造每一种成分，然后将它们组合起来。

EV集团业务发展总监Thorsten Matthias表示:“为了实现低成本、大批量制造，需要异构集成，特别是使用倒装芯片方法将磷化铟集成到SOI晶圆上。”

预处理SOI晶圆异质集成的工艺流程。由EV集团提供。

对于异构集成，需要在化合物半导体晶圆上以及目标晶圆上添加SiO2层，以创建适当的键合界面。这种技术已经很好地用于生产SOI晶圆，称为氧化物-氧化物键合。

Matthias说:“与外延相比，键合将是更优越的工艺，因为它可以以非常低的成本实现高质量的集成。”“此外，键合前的等离子体激活允许在低温下在预处理的SOI晶圆上进行异质集成。”

Ferguson在尝试回应客户需求时鸟瞰了整个过程，他说:“把所有的光子器件放在一个芯片上的兴趣似乎正在减弱。我们开始看到公司使用2.5D和3D集成，其中光子学组件被放置在硅中间体上。”

第二部分:查看与构建组合电子/光子组件相关的其他光子组件和设计因素，这些组件可能会将天平倾斜到这些解决方案之一