Siliziumphotonik: Die Lücke bei Chipverbindungen schließen

Da die Chipherstellungsprozesse immer kleiner werden, wird der Einfluss von Verbindungselementen auf die Chipleistung immer bedeutender. Verbindungselemente fungieren als interne „Straßen“ und „Autobahnen“ in mikroelektronischen Geräten und verbinden Komponenten wie Transistoren, Widerstände und Kondensatoren. Da Chips immer kleiner werden, müssen die Verbindungselemente feiner werden, aber diese Verringerung der Abstände kann zu parasitären Effekten führen, die die Schaltungsleistung beeinträchtigen. Gängige Verbindungsmaterialien wie Aluminium, Kupfer und Kohlenstoffnanoröhren haben physikalische Einschränkungen. Die Siliziumphotonik bietet jedoch eine Lösung.

Die Siliziumphotonik nutzt Silizium als optisches Medium und verwendet zur Datenübertragung Laserstrahlen anstelle elektronischer Halbleitersignale. Es handelt sich um eine Technologie der nächsten Generation, die auf Silizium- und Silicon-on-Insulator-Substraten (SOI) basiert und mithilfe bestehender CMOS-Prozesse integriert wird. Der Hauptvorteil liegt in den hohen Übertragungsraten, die eine Datenübertragung zwischen Prozessorkernen mit bis zu 100-mal höheren Geschwindigkeiten als bei herkömmlichen elektronischen Verbindungen ermöglichen. Darüber hinaus erreicht die Siliziumphotonik eine hervorragende Energieeffizienz, was sie zu einer vielversprechenden Halbleitertechnologie macht.

In der Vergangenheit wurde die Siliziumphotonik auf SOI-Wafer entwickelt, aber ihre hohen Kosten und Einschränkungen bei verschiedenen photonischen Funktionen führten zur Erforschung alternativer Materialien. Forscher haben nun neue Materialien wie LNO-Filme, InP, BTO, Polymere und Plasmamaterialien entwickelt, um eine noch höhere Leistung zu erzielen. Die Siliziumphotonik ist vielversprechend für die Bewältigung von Verbindungsproblemen und die Weiterentwicklung der Halbleitertechnologie.

Siliziumphotonik, die Untersuchung und Anwendung photonischer Systeme unter Verwendung von Silizium als optischem Medium, hat sich dank der Fortschritte in der optischen Kommunikation zu einer Mainstream-Technologie entwickelt. Obwohl man zunächst davon ausging, dass Photonik nicht direkt in elektronische Fertigungsprozesse integriert werden könne, widerlegen neuere Entwicklungen diese Annahme. Lassen Sie uns untersuchen, warum wir uns glücklich schätzen können, dass diese Fähigkeiten nun für die Photonik genutzt werden können.

In Wirklichkeit ist die direkte Wiederverwendung nicht so einfach. Versuche, Photonik-Funktionalität in bestehende CMOS- oder bipolare Silizium-Wafer ohne Prozessmodifikationen zu integrieren, führten zu leistungsschwachen Geräten. Elektronische Prozesse sind auf die Herstellung elektronischer Produkte zugeschnitten und daher für wettbewerbsfähige Photonik-Produkte ungeeignet. Selbst wenn sie machbar wären, ist die wirtschaftliche Rentabilität fraglich. Silizium-Photonik-Chips erfordern im Vergleich zu fortgeschrittener Mikroelektronik (z. B. 90 Nanometer) relativ primitive Verarbeitungsfähigkeiten (etwa 16 Nanometer). Der Versuch, Photonik mit modernsten mikroelektronischen Werkzeugen zu bauen, wäre weder praktikabel noch wirtschaftlich erprobt. Es gibt keinen Grund zu der Annahme, dass integrierte Prozesse, die für elektronische Schaltkreise entwickelt wurden, nahtlos mit Komponenten harmonieren würden, die Licht manipulieren.

Im letzten Jahrzehnt hat sich Silizium nicht nur für elektronische Geräte, sondern auch für photonische Komponenten als hervorragendes Material erwiesen. Noch erstaunlicher ist, dass die Siliziumphotonik-Community Prozesse entwickelt hat, die eine Wiederverwendung der CMOS-Fertigungsinfrastruktur zum Bau komplexer photonischer Schaltkreise ermöglichen. Während der komplette integrierte Prozess zur Transistorherstellung nicht direkt wiederverwendet wird, können modulare Schritte neu angeordnet und für die Siliziumphotonik umfunktioniert werden. Mehrere Organisationen haben die Machbarkeit dieses Ansatzes demonstriert. Sie nutzen Materialien und Techniken, die in den letzten 50 Jahren in der Siliziummikroelektronik entwickelt wurden, um photonische Geräte und Schaltkreise zu bauen. Bemerkenswert ist, dass viele Bemühungen nicht nur ähnliche Geräte in getrennten Einrichtungen verwenden, sondern dieselben Werkzeuge und Einrichtungen, die zum Bau herkömmlicher CMOS-Transistoren verwendet werden. Die Arbeit in diesen Einrichtungen ist jedoch mit erheblichen Einschränkungen verbunden: Ungeprüfte Materialien, die mit CMOS-Prozessen inkompatibel sind, sind verboten, und die Schaltungsentwürfe müssen eine Beschädigung oder Verunreinigung der Werkzeuge vermeiden. In fortschrittlicheren CMOS-kompatiblen Fertigungsanlagen können Maskensätze und Prozessentwicklungskosten unerschwinglich hoch sein, insbesondere bei hochmodernen Prozessen.

Trotz dieser Herausforderungen können die enormen Investitionen in den Bau moderner CMOS-Fabriken der Siliziumphotonik nun direkt zugutekommen. Dies eröffnet einen sofort verfügbaren, kommerziell tragfähigen Weg zur Produktion im großen Maßstab. Durch die gemeinsame Nutzung der ausgereiften Infrastruktur der Halbleiterindustrie wird die Siliziumphotonik allmählich zur entscheidenden Brücke zwischen zukünftigen Hochgeschwindigkeitsdatenkommunikations-, Computer- und Sensoranwendungen.

Die Entwicklung der Siliziumphotonik

Siliziumphotonik ist eine Technologie, die Silizium als optisches Medium zur Entwicklung photonischer Systeme nutzt. Ihre Geschichte reicht bis in die späten 1980er und frühen 1990er Jahre zurück, mit mehreren Unterbrechungen und Neuanfängen. Mittlerweile hat sie sich jedoch zu einem bedeutenden Bereich mit erheblichem Potenzial entwickelt.

In herkömmlichen Kommunikationssystemen werden für verschiedene Komponenten unterschiedliche Materialien verwendet. Diese Chips enthalten häufig einen Materialmix, wie z. B. RF-CMOS oder bipolare Prozesse für breitbandige elektronische Geräte (z. B. Serialisierer und Deserialisierer), hochskalierte CMOS oder FPGAs für digitale Teile (z. B. Steuerschaltungen), glasbasierte diffuse Wellenleiter für passive Elemente, Lithiumniobat (LiNbO₃) für Modulatoren, Indiumphosphid (InP) für Laser, Germanium (Ge) für Fotodetektoren und MEMS-basierte Schalter. Jedes Materialsystem wird ausgewählt, um die Leistung für einen bestimmten Gerätetyp zu optimieren.

Die speziellen Fertigungsprozesse für jede Komponente führen jedoch zu niedrigen Erträgen und hohen Kosten. Photonische Geräte werden häufig in kleinen Stückzahlen mit speziellen Fertigungsanlagen hergestellt, was sie im Vergleich zur elektronischen Großserienproduktion teuer macht. Während diskrete photonische Komponenten über Standard-Glasfasern und -Steckverbinder verbunden werden können, sind die Kosten- und Ertragsverluste hauptsächlich auf die photonischen Verpackungsprozesse zurückzuführen. Diese Prozesse erfordern eine präzise Ausrichtung (häufig mit 5- oder 6-Achsen-Ausrichtung) auf Submikrometerebene und manchmal eine hermetische Versiegelung oder sogar eine Vergoldung.

Das enorme Potenzial der Siliziumphotonik liegt in der Integration mehrerer Funktionen in einem einzigen Paket. Durch die Nutzung derselben Fertigungsanlagen wie für die moderne Mikroelektronik wird es möglich, Hybridchips oder Chipstapel herzustellen, in denen sowohl optische als auch elektronische Komponenten koexistieren. Diese grundlegende Integration reduziert die Kosten der Datenübertragung über Glasfasern erheblich. Darüber hinaus eröffnet sie Möglichkeiten für neuartige Anwendungen und ermöglicht den Bau komplexer Systeme zu vertretbaren Kosten.

Licht wird über On-Chip-Laser oder vertikale Glasfasern in den photonischen Schaltkreis eingekoppelt, der das Licht dann moduliert. Das modulierte Licht wird von Fotodetektoren umgewandelt und mithilfe von CMOS-Komplementärschaltkreisen invertiert. Silizium-photonische elektronische Schaltkreise unterstützen heute Systeme, die aus Hunderten oder Tausenden solcher Komponenten bestehen.

Anwendungen

Komplexe Silizium-Photoniksysteme finden zahlreiche Anwendungen, wobei die Datenkommunikation am häufigsten zum Einsatz kommt. Dazu gehören digitale Kommunikation mit hoher Bandbreite für Anwendungen über kurze Distanzen, anspruchsvolle Modulationsschemata für Anwendungen über lange Distanzen und kohärente Kommunikation. Über die Datenkommunikation hinaus erforschen Industrie und Wissenschaft eine breite Palette neuer Anwendungen für diese Technologie. Zu diesen Anwendungen gehören Nano-Optomechanik und Festkörperphysik, Biosensorik, nichtlineare Optik, Laserradarsysteme, optische Gyroskope, HF-integrierte Optoelektronik, integrierte Funktransceiver, kohärente Kommunikation, neuartige Lichtquellen, Laserrauschunterdrückung, Gassensoren, integrierte Photonik mit extrem langer Wellenlänge, Hochgeschwindigkeits- und Mikrowellensignalverarbeitung und andere. Besonders vielversprechende Bereiche sind unter anderem Biosensorik, Bildgebung, Laserradar, Trägheitssensorik, hybride photonische HF-integrierte Schaltkreise (RFICs) und Signalverarbeitung.

Datenkommunikation

Unter den verschiedenen Kategorien photonischer Geräte können photonische Siliziumkomponenten mit ihren Gegenstücken gut mithalten. Eine der umwälzendsten Anstrengungen im Bereich der optischen Kommunikation ist die Schaffung integrierter Plattformen, die Modulatoren, Detektoren, Wellenleiter und andere Komponenten auf demselben Chip integrieren und so eine Kommunikation untereinander ermöglichen. In einigen Fällen sind in diesen Plattformen auch Transistoren enthalten, wodurch Verstärkung, Serialisierung und Feedback auf demselben Chip integriert werden können. Aufgrund der Kosten für die Entwicklung solcher Prozesse zielt dieses Unterfangen in erster Linie auf Punkt-zu-Punkt-Datenkommunikationsanwendungen ab. Aufgrund der Kosten für die Entwicklung von Transistorherstellungsprozessen besteht in diesem Bereich zudem Konsens darüber, dass es aus Leistungs- und Kostensicht am sinnvollsten ist, elektronische Geräte in absehbarer Zukunft mithilfe von Bonding-Techniken auf Wafer- oder Chipebene zu integrieren.

Die Fähigkeit, Chips zu entwickeln, die mit elektronischen Geräten Berechnungen durchführen und optische Kommunikation ermöglichen, ist von großem Wert. Die meisten frühen Anwendungen der Siliziumphotonik fanden in der digitalen Datenkommunikation statt. Dies wird durch die grundlegenden physikalischen Unterschiede zwischen Elektronen (Fermionen) und Photonen (Bosonen) vorangetrieben. Elektronen eignen sich gut für Berechnungen, da zwei von ihnen nicht gleichzeitig denselben Ort einnehmen können. Diese starke gegenseitige Wechselwirkung zwischen Elektronen ermöglicht den Bau großer nichtlinearer Schaltgeräte – Transistoren.

Photonen weisen unterschiedliche Eigenschaften auf: Viele Photonen können gleichzeitig am selben Ort koexistieren und unter ganz besonderen Bedingungen stören sie sich nicht gegenseitig. Aus diesem Grund ist es möglich, Billionen von Datenbits pro Sekunde über eine einzige Glasfaser zu übertragen: Dies wird nicht durch die Erzeugung eines einzigen Datenstroms mit einer Bandbreite von Billionen Bits erreicht.

In vielen Regionen der Welt ist Fiber-to-the-Home (FTTH) das vorherrschende Zugangsparadigma, obwohl es sich in den USA aufgrund der Konkurrenz durch DSL und andere Technologien noch nicht als richtig erwiesen hat. Da der Bedarf an Bandbreite weiter steigt, steigt auch der Bedarf an effizienterer Datenübertragung durch Glasfasern stetig. Ein weit verbreiteter Trend auf dem Datenkommunikationsmarkt ist, dass mit abnehmender Entfernung der Preis pro Einheit stark sinkt, während die Menge zunimmt. Es ist keine Überraschung, dass sich die kommerziellen Bemühungen in der Siliziumphotonik stark auf Anwendungen mit hoher Kapazität und kurzer Entfernung konzentriert haben, die auf Rechenzentren und Hochleistungsrechner abzielen. Zukünftige Anwendungen werden Kurzstreckenverbindungen von Board zu Board und im USB-Maßstab und schließlich vielleicht sogar Core-to-Core-Kommunikation innerhalb von CPUs umfassen, obwohl Letzteres für On-Chip-Core-to-Core-Anwendungen noch spekulativ bleibt. Obwohl die Siliziumphotonik noch nicht die Größenordnung der CMOS-Industrie erreicht hat, ist sie bereits zu einem wichtigen Bereich geworden.

Wellenleiter und passive Komponenten

In siliziumkompatiblen Systemen wurden Wellenleiter verschiedener Geometrien entwickelt. Nahezu alle transparenten Materialien mit einem höheren Brechungsindex als Glas können auf Siliziumdioxidsubstrate aufgebracht werden, um Wellenleiter zu bilden. Um jedoch Kompatibilität mit CMOS-Prozessen zu erreichen, hat sich die Industrie auf mehrere geometrische Formen geeinigt. Am gebräuchlichsten ist der Wellenleiter mit hoher Konsistenz, der aus der aktiven Geräteschicht von Silicon-on-Insulator-Wafern (SOI) hergestellt wird. Dieser Wellenleitertyp kann vollständig bis zur unteren Oxidschicht geätzt oder (mithilfe zeitgesteuerter Prozesse) teilweise geätzt werden.

Die Reduzierung der Verluste in diesen Submikrometer-Wellenleitern auf ein akzeptables Niveau hat jahrelange Anstrengungen erfordert. Die starke Wechselwirkung zwischen dem optischen Feld und den Seitenwänden führt aufgrund der Oberflächenrauheit zu erheblichen Verlusten. Ausbreitungsverluste können minimiert werden, indem der Prozess optimiert wird, um die Seitenwände zu glätten, oder indem die Wellenleitergeometrie angepasst wird, um die modale Feldstärke der Seitenwände zu reduzieren. Andere wichtige passive Komponenten wie Gitterkoppler, verteilte Bragg-Gitter, Wellenleiterkreuzungen und angeordnete Wellenleitergitter (AWGs) haben ebenfalls in jedem Fall sehr geringe Verluste gezeigt. Vor kurzem sind CMOS-kompatible Wellenleiter aufgetaucht, die im Back-End-of-Line-Prozess unter Verwendung von Siliziumnitrid hergestellt werden. Diese Wellenleiter weisen sehr geringe Verluste auf (< 0.1 dB/m), aber ihre Kompatibilität mit aktiven Front-End-Geräten bleibt aufgrund des erforderlichen Hochtemperaturwachstums eine offene Frage. Insbesondere wurden bei verlustarmen Silizium-Wellenleitern erhebliche Fortschritte erzielt. Die Herstellung kompatibler Hochgeschwindigkeitsmodulatoren und -detektoren auf diesen Plattformen stellt jedoch erhebliche Herausforderungen dar, was eine Integration im großen Maßstab weniger vielversprechend macht. Eine der Herausforderungen der Silizium-Photonik-Technologie ist die optische Kopplung zwischen Chips und Glasfasern, die kostengünstige Verpackungsmethoden erfordert.

Dies wird typischerweise durch Kantenkoppler oder Gitterkoppler erreicht, wie in der Abbildung gezeigt. Bei beiden Methoden wurden Verluste von unter 1 dB pro Schnittstelle nachgewiesen. Auch die Handhabung der Polarisation ist eine Herausforderung, da Silizium-Photonenwellenleiter von Natur aus eine starke Doppelbrechung aufweisen, d. h., die Ausbreitungskonstanten für zwei unterschiedliche Lichtpolarisationen im Wellenleiter sind unterschiedlich. Üblicherweise werden Schaltkreise mit einer einzigen Polarisation konstruiert und diese Schaltkreise kopiert, wenn beide Polarisationen benötigt werden. Dieser Ansatz, der als Polarisationsdiversität bezeichnet wird, nutzt die Vorteile von polarisationsteilenden Gitterkopplern, Polarisationssplittern, Polarisationsdrehern oder anderen verwandten Komponenten. Bei anderen Methoden wurde der Einsatz rechteckiger Wellenleiter zur Verringerung der Doppelbrechung untersucht, diese Ansätze bringen jedoch erhebliche Designbeschränkungen mit sich.

Modulator

Die Modulation von Silizium erfolgt üblicherweise durch den Plasmadispersionseffekt, bei dem Änderungen der freien Trägerdichte zu Brechungsindexschwankungen führen und das Licht modulieren. In Einzelchip-Geräten wurden verschiedene Mechanismen zur Manipulation der freien Trägerdichte implementiert. Darunter werden Trägerverarmungsgeräte auf Basis von in Sperrrichtung vorgespannten PN-Übergängen häufig für den Hochgeschwindigkeitsbetrieb verwendet.

Seit Intels Team erstmals GHz-Siliziummodulatoren vorführte, haben sich die Leistungskennzahlen von Modulatoren deutlich verbessert. Die Mach-Zehnder-Interferometer-Struktur (MZI) wird häufig zur Amplitudenmodulation verwendet. Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel eines MZI-Modulators.

Durch Resonanzstrukturen kann die Gerätegröße deutlich reduziert und der Stromverbrauch weiter gesenkt werden, obwohl dadurch das Betriebswellenlängenfenster deutlich verengt und die thermische Empfindlichkeit erhöht wird. Hochgeschwindigkeits-Ringmodulatoren haben einen Betrieb mit bis zu 40 Gbit/s nachgewiesen und verfügen über thermische Abstimmungsfunktionen. Die Abbildung zeigt ein Beispiel für einen Ringmodulator. Zu den jüngsten Entwicklungen gehören das Überwinden der Lebensdauerbeschränkung von Hohlraumphotonen durch gekoppelte Modulation und die Verwendung von Ringmodulatoren zum Bau von Wellenlängenmultiplex-Sendern (WDM).

Neben reinen Siliziumlösungen können auch andere Materialien auf Si-Plattformen integriert werden. So können beispielsweise effiziente Elektroabsorptionsmodulatoren durch das Verbinden von III/V-Materialien oder epitaktisches Aufwachsen von Germanium oder das Einkapseln von Graphen gebaut werden. Chemisch hergestellte aktive elektrooptische Polymere wurden auch in Schlitzwellenleiter und photonische Kristalle auf Si-Plattformen eingeführt, um effiziente Phasenschieber zu erzeugen. Die Integration neuer Materialien mit Silizium, sei es durch Nachbearbeitung oder verschiedene Verpackungsmethoden, um neue Materialien an CMOS-Gießereien anzupassen, entwickelt sich zu einem aktiven Teilgebiet der Siliziumphotonik. Diese Methoden beinhalten in der Regel anspruchsvolle Herstellungsprozesse und können auf Spezialanwendungen mit sehr spezifischen High-End-Anforderungen beschränkt sein.

Fotodetektoren

Innerhalb des Arbeitswellenlängenbereichs von Silizium-Photonikchips müssen Materialien mit schmaleren Bandlücken als Si als Detektions- (Absorptions-)Medium integriert werden. Germanium (Ge) kann epitaktisch aufgewachsen werden und absorbiert Licht bei Kommunikationswellenlängen. Dies ist zwar für die Kompatibilität mit Standardinfrastrukturen unerlässlich, für Anwendungen über kurze Distanzen, bei denen beide Enden der Verbindung ohne Einhaltung von Interoperabilitätsstandards definiert werden können, ist es jedoch nicht unbedingt erforderlich. Für die Photodetektion wurden auch III-V-Bindungsmaterialien verwendet. Diese Materialien sind eng integriert oder direkt in der Nähe von Si-Wellenleitern verbunden, sodass geleitetes Licht durch evaneszente oder Facettenkopplung in den Photodetektor gelangen kann. Der Photodetektor kann einen kleinen Querschnitt haben, um die Gerätekapazität zu verringern und die Geschwindigkeit zu verbessern.

Der neueste Technologiestand für Ge-Fotodetektoren, konfiguriert als Fotodioden, erreicht eine Bandbreite von 120 GHz und eine Empfindlichkeit von 0.8 A/W. Bei einer Frequenz von 20 GHz und einer Wellenlänge von 1550 nm wurde eine Empfindlichkeit von 1.05 A/W nachgewiesen, was einer Quanteneffizienz von 84 % entspricht. Abbildung 7 zeigt ein Beispiel für einen Germanium-Fotodetektor. Bei Fotodetektorgeräten mit einer geschätzten Quanteneffizienz von 90 % und einer Bandbreite von 40 GHz wurde eine extrem niedrige Fotodetektorkapazität von 2.4 fF erreicht.

Eine der größten Herausforderungen bei Silizium-Photonik-Plattformen ist das Fehlen von On-Chip-Lichtquellen. Derzeit basiert die Generation von Silizium-Photonik-Chips auf externer Laserkopplung. Obwohl Kantenkoppler und Gitterkoppler die Kopplungseffizienz verbessert haben, begrenzt das Fehlen von On-Chip-Lichtquellen die potenziellen Anwendungen dieser Chips.

Zur Lösung des Lichtquellenproblems wurden verschiedene Verfahren vorgeschlagen, die ich hier kurz erläutern werde. Hybrid-Siliziumlaser wurden entwickelt, indem III-V-Materialien durch Bonden und epitaktisches Wachstum auf Silizium-Wafer übertragen wurden. Diese Verfahren sind jedoch aufgrund der Inkompatibilität von III-V-Materialien mit Standard-CMOS-Prozessen sowie der hohen Kosten und geringen Ausbeute des Bondens und der geringen verfügbaren III/V-Wafergrößen mit Einschränkungen behaftet. Ge (Germanium) wurde trotz seiner begrenzten Lichtemissionseffizienz aufgrund seiner indirekten Bandlücke als CMOS-kompatibles Verstärkungsmedium vorgeschlagen. Der kleine Unterschied (134 meV) zwischen indirekter und direkter Bandlücke kann durch Spannungstechnik und starke n-Typ-Dotierung überwunden werden. Elektrisch betriebene Laser mit Ge als Verstärkungsmedium wurden auf Si validiert.

Derzeit werden bei allen Produkten auf dem Markt eher konventionelle Methoden angewendet. Dazu gehören nicht auf dem Chip montierte Lichtquellen, die über Glasfasern mit Siliziumchips verbunden sind, und Laser, die im selben Gehäuse wie Silizium-Photonikchips integriert sind. Diese Integrationstechniken, die aus dem MEMS-Bereich stammen, nutzen die Mikrogehäusetechnologie, die sowohl kostengünstig als auch hochentwickelt ist.

Methoden zur Photonisch-Elektronischen Integration

Die Integration von Photonik und Elektronik ist ein entscheidender Schritt zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Informationsverarbeitungssystemen. Sie ermöglicht schnellere Datenübertragungsraten, geringeren Stromverbrauch und kompaktere Gerätedesigns und eröffnet damit erhebliche neue Möglichkeiten für das Systemdesign. Integrationsmethoden werden normalerweise in zwei Kategorien eingeteilt: Einzelchip-Integration und Mehrchip-Integration.

Single-Chip-Integration: Bei der Single-Chip-Integration werden photonische und elektronische Komponenten auf demselben Substrat hergestellt, wobei in der Regel kompatible Materialien und Prozesse verwendet werden. Dieser Ansatz zielt in erster Linie darauf ab, nahtlose Schnittstellen zwischen Licht und Elektrizität innerhalb eines einzelnen Chips zu schaffen.

Vorteile:

Reduzierte Verbindungsverluste: Durch die nahe Platzierung photonischer und elektronischer Komponenten beieinander werden Signalverluste, die mit externen Chipverbindungen verbunden sind, minimiert.

Verbesserte Leistung: Eine engere Integration führt zu schnelleren Datenübertragungsgeschwindigkeiten, da kürzere Signalwege die Latenz reduzieren.

Geringerer Platzbedarf: Durch die Single-Chip-Integration sind äußerst kompakte Geräte möglich, was insbesondere für platzbeschränkte Anwendungen wie Rechenzentren oder Handheld-Geräte von Vorteil ist.

Geringerer Stromverbrauch: Da keine separaten Verpackungen und keine Fernverbindungen mehr erforderlich sind, wird der Strombedarf erheblich reduziert.

Challenges:

Materialkompatibilität: Es kann eine Herausforderung sein, Materialien zu finden, die sowohl hochwertige Elektronik als auch photonische Funktionalität unterstützen, da sie oft unterschiedliche Eigenschaften erfordern.

Prozesskompatibilität: Die Integration unterschiedlicher Herstellungsprozesse für Elektronik und Photonik auf demselben Substrat ohne Kompromisse bei der Leistung der Komponenten ist eine komplexe Aufgabe.

Komplexe Fertigung: Die hohe Präzision, die sowohl für elektronische als auch für photonische Strukturen erforderlich ist, erhöht die Komplexität und die Kosten der Fertigungsprozesse.

Multi-Chip-Integration

Dieser Ansatz ermöglicht eine größere Flexibilität bei der Auswahl von Materialien und Prozessen für jede Funktion. Bei der Multi-Chip-Integration stammen elektronische und photonische Komponenten aus unterschiedlichen Prozessen und werden dann zusammengebaut und auf einem gemeinsamen Gehäuse oder Substrat platziert. Sehen wir uns nun die Verbindungsmethoden an, die zwischen optoelektronischen Chips verwendet werden:

Direktes Bonden: Bei dieser Technik werden zwei ebene Oberflächen direkt physisch kontaktiert und verbunden, was normalerweise durch molekulare Bindungskräfte, Hitze und Druck erreicht wird. Diese Technik ist einfach und bietet potenziell sehr verlustarme Verbindungen, erfordert jedoch eine präzise Ausrichtung und saubere Oberflächen.

Faser-/Gitterkopplung: Bei diesem Verfahren werden optische Fasern oder Faseranordnungen ausgerichtet und an den Kanten oder Oberflächen von Photonikchips befestigt, sodass Licht in den Chip hinein und aus ihm heraus gekoppelt werden kann. Gitter können auch für die vertikale Kopplung verwendet werden, wodurch die Lichtübertragung zwischen dem Photonikchip und externen Fasern verbessert wird.

Silicon Through Vias (TSVs) und Microbumps: TSVs ermöglichen vertikale Verbindungen durch das Siliziumsubstrat, sodass Chips dreidimensional gestapelt werden können. In Kombination mit Microbumps ermöglichen sie elektrische Verbindungen zwischen elektronischen und photonischen Chips in gestapelten Konfigurationen, die für eine Integration mit hoher Dichte geeignet sind.

Optischer Interposer: Ein optischer Interposer ist ein unabhängiges Substrat, das optische Wellenleiter enthält und als Vermittler für die Weiterleitung von Lichtsignalen zwischen Chips dient. Er ermöglicht eine präzise Ausrichtung und kann zusätzliche passive optische Komponenten integrieren, was die Verbindungsflexibilität verbessert.

Hybrid Bonding: Diese fortschrittliche Verbindungstechnik kombiniert Direktbonden und Microbump-Technologie, um hochdichte elektrische Verbindungen zwischen Chips und hochwertigen optischen Schnittstellen zu erreichen. Sie verspricht eine hochleistungsfähige optoelektronische Kointegration.

Solder Bump Bonding: Ähnlich wie beim Flip-Chip-Bonding werden Solder Bumps verwendet, um elektrische Verbindungen herzustellen. Im Rahmen der optoelektronischen Integration muss jedoch besonders darauf geachtet werden, hitzebedingte Schäden an photonischen Komponenten zu vermeiden und die optische Ausrichtung beizubehalten.

Die Vorteile dieser Methoden sind beträchtlich. Da die CMOS-Welt weiterhin Verbesserungen durch das Mooresche Gesetz verfolgt, wird es möglich sein, jede Generation von CMOS oder Bi-CMOS schnell an einen kostengünstigen Silizium-Photonik-Chip anzupassen und so die Vorteile optimaler Prozesse sowohl für die Photonik als auch für die Elektronik zu nutzen. Da die Photonik normalerweise keine Herstellung extrem kleiner Strukturen erfordert (typische kritische Abmessungen liegen bei etwa 100 Nanometern) und die Geräte im Vergleich zu Transistoren viel größer sind, sprechen wirtschaftliche Überlegungen für die separate Herstellung von Photonik-Geräten in einem dedizierten Prozess, entkoppelt von jeglicher fortschrittlicher Elektronik, die für das Endprodukt erforderlich ist.

Vorteile:

Flexibilität: Unabhängiger Einsatz unterschiedlicher Materialien und Prozesse, um eine optimale Leistung elektronischer und photonischer Komponenten zu erreichen.

Prozessreife: Die Nutzung ausgereifter Herstellungsprozesse für jede Komponente kann die Produktion vereinfachen und Kosten senken.

Einfachere Upgrades und Wartung: Die Komponententrennung ermöglicht einen einfacheren Austausch oder ein Upgrade einzelner Teile, ohne das gesamte System zu beeinträchtigen.

Challenges:

Verbindungsverlust: Externe Chipverbindungen führen zu zusätzlichem Signalverlust und erfordern möglicherweise komplexe Ausrichtungsverfahren.

Erhöhte Komplexität und Größe: Separate Komponenten erfordern zusätzliche Verpackung und Verbindungen, was zu größeren Abmessungen und potenziell höheren Kosten führt.

Höherer Stromverbrauch: Längere Signalwege und zusätzliche Verpackung können den Strombedarf im Vergleich zur Einzelchip-Integration erhöhen.

Fazit

Die Wahl zwischen Einzelchip-Integration und Multichip-Integration hängt von den spezifischen Anwendungsanforderungen ab, darunter Leistungsziele, Größenbeschränkungen, Kostenüberlegungen und technologische Reife. Obwohl die Herstellung der Einzelchip-Integration komplexer ist, ist sie für Anwendungen von Vorteil, die extreme Miniaturisierung, geringen Stromverbrauch und Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung erfordern. Im Gegensatz dazu bietet die Multichip-Integration eine größere Designflexibilität und nutzt vorhandene Fertigungskapazitäten, wodurch sie für Anwendungen geeignet ist, bei denen diese Faktoren die Vorteile einer engeren Integration überwiegen. Laufende Forschung untersucht hybride Ansätze, die Elemente beider Strategien kombinieren, um die Systemleistung zu optimieren und gleichzeitig die mit jeder Methode verbundenen Herausforderungen zu mildern.