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微系统三维集成技术的发展趋势(二)

发布时间:2020-06-15

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2   光集成微系统

       光集成微系统具有多样性,具有异构集成的光互连、百万级可动微镜的可控和低寄生互连等特点,在3D混合集成、MEMS空间光调制器和电子学-光子学异构集成等方面均有长足进步,在芯片级光相控阵列的创新制造方面进步突出。采用电学和光学插入器精密键合技术实现由CMOS、MEMS和光子电路等技术的3D混合集成的光电异构集成系统;采用与CMOS兼容的低温键合技术实现具有100万个单晶硅倾斜微镜的大规模异构集成的高 分辨率空间光调制器;采用低寄生微焊料凸点键合技术实现芯片级10Gb/s低功耗光收发电路;采用晶圆间键合和具有低寄生电容的穿过氧化层通道的技术实现光子学和CMOS芯片的3D集成以及芯片级全光互连;采用氧等离子处理、在片激光技术等低温键合技术实现III-V有源器件和低损耗的硅光子学的异构光子集成;采用TSV技术实现光子学和CMOS芯片的3D集成以及光电微系统中相当具有创新代 表性的单芯片光相控阵。

       为适应智能汽车系统的需求,2011年,K.W.Lee等人[14]开发了由CMOS、MEMS和光子电路等技术构成的3D混合集成的光电异构集成系统。幅移键控的LSI电子芯片、无源元件和MEMS压力传感被安装到具有TSV与微流体通道的硅电学插入器表面,厚度为100μm的LSI和无源元件芯片通过其Cu侧壁进行互连,厚度为300μm的MEMS芯片通过包含有CuTSV梁式引线互连的腔芯片来连接。垂直腔面发射激光器和光敏二极管的光电芯片嵌入具有TSV的光学插入器,光电芯片的电学连接由CuTSV和梁式引线实现,其光学连接由光学插入器背面的微镜和光波导实现。电学和光学插入器精密键合在一起就形成一个三维光电多芯片模块。

       光电和电子的器件可以通过TSV通信。光电器件可以通过光波导连接到光学插入器。采用晶圆间直接键合技术形成电学插入器中的微流控通道,以用于高功率大规模集成电路散热的热沉。该3D混合集成的光电异构集成系统实现了各芯片的功能,但MEMS压力传感器由于连接腔芯片的银浆电极的较高电阻导致压力灵敏度退化。

       MEMS空间光调制器(SLM)在20世纪90年代末已进入视频投影应用,并在激光脉冲整形、相位畸变校正、波前控 制、光学开关、高性能掩模刻写和无掩模的光刻等方面开展应用研究。在SLM中有大量的独立的微镜需和其CMOS控 制电路实现接近的集成,大规模异构集成是一种SLM制造方法,克服了后CMOS工艺的热限制和允许在CMOS电路上集成任何固体材料的MOMES器件。2011年,F.Zimmer等人[15]报道了大规模异构集成的高 分辨率空间光调制器芯片,其在模拟高 压CMOS驱动电路上具有100万个单晶硅倾斜微镜。采用与CMOS兼容的低温键合技术将包含340nm厚的单晶硅层的在同一传输速率,接收机功耗为3.95mW。芯片上具有231-1序列的伪随机位序列产生器,其误码率优于10-12。为了实现互连网络的全光链接,高速度和低功率光发射机以及高带宽和高灵敏度的光接 收器是必需的;同时为实现电子学和光电器件之间小的寄生电容,需要两者紧密集成。此外,光子组件和CMOS电路两个晶圆的解决方案需要分别单独优化性能。2015年,K.T.Settaluri等人[17]报道了采用晶圆间键合和具有低寄生电容的穿过氧化层通道的技术实现光子学和CMOS芯片的3D集成。集成的光子芯片包含1000个光的部件,其包含垂直结耗尽型微 盘形调节器、异质外延的锗光敏二极管和晶体硅低损耗波导。集成的具有16M个晶体管的电子芯片包含32个多单元的子任务模块,能完成链接中调节器和接 收器的完整的自测试。每一个多单元的子任务模块具有8个接收和发射宏单元,可原位测试光子器件较宽范围的性能变化。该3D集成能形成在圆片级异构平台中芯片到芯片的全光互连。

       SOI和具有SiO2牺牲层的CMOS电路键合在一起,单独可控的微镜的大阵列的制备采用了高性能的直写掩膜系统和高吞吐量深紫外无掩模光刻系统、金属淀积、反应离子刻蚀、氧等离子和HF蒸气等设备和工艺。测试结果表明,微镜展示了优良的表面性质,表面粗糙度低于1nm均方根,被驱动的微镜无记忆行为和无漂移。

       用于宏芯片上的光互连需要低功耗的光收发电路。2012年,F.Y.Liu等人[16]报道了基于40nm工艺的CMOS技术的10Gb/s单端光学链接的发射机和接收机电路。采用低寄生微焊料凸点把该电路和130nmSOI平台制备的硅光子器件键合在一起。发射机驱动器的椭圆形谐振环调节器具有2V摆幅并采用静态热调谐器以补偿光学器件工艺的变化。接收机基于具有4kΩ跨阻增益和设计输入功率为-15dBm的跨阻抗放大器、响应率为0.7A/W的光电二极管和输入消光比为6dB的接收支路。它拥有一对交叉时钟检测放大器用于电压限幅和使用具有相位调整的延迟锁相环(DLL)使数据眼图中的时钟中心对齐。定期校准允许调整电压和时间的容限。在10Gb/s时发射机消光比超过7dB,除热调优和激光功率,其功耗为1.35mW。

       DARPA的电子学-光子学异构集成项目的进展,从十年前开始发展电子学-光子学的集成电路到近几年开展的电子学-光子学异构集成的项目。采用具有先进CMOS的硅光子学、RF电子学和III-V光学源和探测器的异构集成可以使复杂器件的功能超过自然材料,在一些情况下,其性能超过了大型组件而且集成为复杂的电光微系统。该项目在异构光电子集成领域开发了通过氧等离子处理工艺,独特高 效的片上激光工艺,使III-V芯片和硅光子学圆片之间实现低工作温度键合,III-V有源器件和低损耗的硅光子学的共集成能产生系列性能创记录的光集成部件,如线宽小于1kHz的超低线宽的半导体激光器,低线宽、低噪声在O波段覆盖45nm波长的可调谐激光器,在10GHz和30GHz下输出功率分别为16.6dBm和13.5dBm的高功率、高频率光电二极管和光子学中的低损耗无源结构。该项目在异构电子学-光电子集成领域,开发了用于紧凑封装的TSV工艺,具有低寄生电容的穿过氧化层通道的技术实现光子学和CMOS芯片的3D集成。该项目相当具有代 表性的光电微系统范例是光相控阵,采用体光学方法是无法实现的,在光学波长范围、在微尺度上实现包含光移相器、孔径和控 制电子学的光相控阵,离开集成的方法是不可能的。采用单芯片上的集成光子电路技术研发了具有64×64发射源的静态光相控阵列,具有快 速、宽角束流控 制的Si上芯片级光相控阵列,采用TSV技术使180nmCMOS芯片和250nmSi光子学芯片相集成,构建频率调制连续波激光雷达系统。为了适应美国制造创新的要求,该项目建立了“AIM光子学”以实施“IP-创新制造”的愿景,使这些设计、制造和封装的工具具有广 泛的可用性,这将使一批新的设计师利用光子学开发市场和颠覆性的应用。

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