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IBM研究院于近日報導了一種新的光子器件集成方式

電子工程師 ? 來源:芯片揭秘 ? 作者:芯片揭秘 ? 2020-10-25 10:17 ? 次閱讀

本期是科研前線首次分享境外研究機構的科研成果。IBM研究院于近日報導了一種新的光子器件集成方式,其團隊以自研工藝實現了在硅上直接外延生長III-V族的光發射和探測器,器件具有超低電容、高傳輸速率、高帶寬的優良特性,并克服了傳統Ge材料的一些問題,為未來的大規模集成電子-光子芯片的生產制造鋪平了道路。

研究背景

眾所周知,我們正處在一個信息爆炸的時代,數據通信量與集成電路器件的集成度在過去二十年中不斷增大,導致了全世界范圍內計算處理設備的能源消耗劇增。其中很大一部分能耗被用于在互連線路間以電信號形式傳輸數據。長期以來,直接將光互連集成在芯片內部實現光互連一直是業界的目標,而在最近幾年,光子組件的尺寸縮小和性能研究不斷獲得進展,使得這一愿景更具實感。

有些光互連方案是基于獨立的發射器,另一些則是將復數的激光器和LED集成在芯片上。在上述兩種方案中,高度集成的光電探測器都是片上光收發的關鍵技術組成。目前實現片上集成的先進光電探測器大多基于鍺材料,這種材料工藝成熟、性能良好,可以達到70GHz的帶寬和100GBd的信號頻率,但存在暗電流和低吸收率的問題。而寬禁帶半導體Ⅲ-Ⅴ族材料較低的有效質量、高吸收系數和可調帶隙的特性,使它們有更好地勝任光子器件的潛力,但是晶格、極性和熱失配等因素的存在,在硅晶圓上完成Ⅲ-Ⅴ族材料的異質集成頗具挑戰性。

近日,IBM歐洲研究院團隊報道了TASE法(詳見段后注)與原位摻雜法在Si上單片集成出InGaAs納米p-i-n結構,實現了高性能的紅外探測以及紅外1600nm發射。相關論文以“High-speed III-V nanowire photodetector monolithically integrated on Si”為題發表于《Nature Communications》,IBM歐洲研究院Svenja Mauthe為第一作者,Kirsten E. Moselund博士為通訊作者。

注:TASE法,即“模板輔助選擇性外延”(Template-Assisted-Selective-Epitaxy),IBM開發的一種一種新的外延生長方法,在Si上沉積III-V族材料,從而獲得良好的材料質量,該工藝與CMOS工藝兼容,最初是為了將高遷移率材料集成納米片(nanosheet)而設計的,IBM團隊已實現了高性能InGaAs GAA nanosheet N-FETs的研制。

基本特性

Kirsten E. Moselund團隊通過TASE法在Si上實現了單片集成InGaAs納米p-i-n結構,利用自由空間耦合,光電探測器展示了1200-1700納米的光譜響應,其作為光電探測器實現了高速響應,3 dB帶寬超過~25 GHz。此外,作為發光二極管,p-i-n實現了1600 nm紅外發射。TASE的側向整合使得同質和異質結能夠在納米幾何結構內實現平面整合。

原理與測試

通過TASE制造的全光鏈路的示意圖

TASE工藝過程示意圖:圖(a)從SOI晶圓到納米結構上的Ni/Au觸點的形成;圖(b)p-i-n InGaAs的MOCVD生長順序;圖(c)p-i-n納米結構的SEM俯視形貌像;圖(d)p-i-n納米結構橫截面的STEM形貌像

圖(a)外延單晶InGaAs納米結構的STEM形貌像;圖(b)高分辨率環形暗場STEM形貌像;圖(c)ESD分析;圖(d)沿納米結構提取的原子組分

InGaAs光電探測器的靜態電光特性

前景展望

近年來的信息處理容量劇增使得相應的計算機和通信系統向高速化、高性能化方向發展,而基于銅互聯的電氣也將會逐漸成為制約高速通信的一大瓶頸。光通信和光互連技術未能普及,其主要原因并非技術上的困難,而是光電器件在芯片集成和成本上仍舊制約自身的大規模應用。IBM歐洲研究院的這一重大成果,實現了III-V族光器件與硅在平面內的無縫集成,更容易兼容傳統邏輯芯片,想必也將會推動光互連技術的進一步發展和成熟,并成為未來超大規模集成電子-光子芯片電路的必要條件。

論文全文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-18374-z

責任編輯:xj

原文標題:科研前線 | IBM的光互連技術研究又出新成果

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