科研前线 | IBM的光互连技术研究又出新成果

科研前线 | IBM的光互连技术研究又出新成果


本期是科研前线首次分享境外研究机构的科研成果。IBM研究院于近日报导了一种新的光子器件集成方式,其团队以自研工艺实现了在硅上直接外延生长III-V族的光发射和探测器,器件具有超低电容、高传输速率、高带宽的优良特性,并克服了传统Ge材料的一些问题,为未来的大规模集成电子-光子芯片的生产制造铺平了道路。


研究背景


众所周知,我们正处在一个信息爆炸的时代,数据通信量与集成电路器件的集成度在过去二十年中不断增大,导致了全世界范围内计算处理设备的能源消耗剧增。其中很大一部分能耗被用于在互连线路间以电信号形式传输数据。长期以来,直接将光互连集成在芯片内部实现光互连一直是业界的目标,而在最近几年,光子组件的尺寸缩小和性能研究不断获得进展,使得这一愿景更具实感。


有些光互连方案是基于独立的发射器,另一些则是将复数的激光器和LED集成在芯片上。在上述两种方案中,高度集成的光电探测器都是片上光收发的关键技术组成。目前实现片上集成的先进光电探测器大多基于锗材料,这种材料工艺成熟、性能良好,可以达到70GHz的带宽和100GBd的信号频率,但存在暗电流低吸收率的问题。而宽禁带半导体Ⅲ-Ⅴ族材料较低的有效质量高吸收系数可调带隙的特性,使它们有更好地胜任光子器件的潜力,但是晶格、极性和热失配等因素的存在,在硅晶圆上完成Ⅲ-Ⅴ族材料的异质集成颇具挑战性。


近日,IBM欧洲研究院团队报道了TASE法(详见段后注)与原位掺杂法在Si上单片集成出InGaAs纳米p-i-n结构,实现了高性能的红外探测以及红外1600nm发射。相关论文以“High-speed III-V nanowire photodetector monolithically integrated on Si”为题发表于《Nature Communications》,IBM欧洲研究院Svenja Mauthe为第一作者,Kirsten E. Moselund博士为通讯作者。


注:TASE法,即“模板辅助选择性外延”(Template-Assisted-Selective-Epitaxy),IBM开发的一种一种新的外延生长方法,在Si上沉积III-V族材料,从而获得良好的材料质量,该工艺与CMOS工艺兼容,最初是为了将高迁移率材料集成纳米片(nanosheet)而设计的,IBM团队已实现了高性能InGaAs GAA nanosheet N-FETs的研制。


基本特性


Kirsten E. Moselund团队通过TASE法在Si上实现了单片集成InGaAs纳米p-i-n结构,利用自由空间耦合,光电探测器展示了1200-1700纳米的光谱响应,其作为光电探测器实现了高速响应,3 dB带宽超过~25 GHz。此外,作为发光二极管,p-i-n实现了1600 nm红外发射。TASE的侧向整合使得同质和异质结能够在纳米几何结构内实现平面整合。

原理与测试

通过TASE制造的全光链路的示意图


TASE工艺过程示意图:图(a)从SOI晶圆到纳米结构上的Ni/Au触点的形成;图(b)p-i-n InGaAs的MOCVD生长顺序;图(c)p-i-n纳米结构的SEM俯视形貌像;图(d)p-i-n纳米结构横截面的STEM形貌像


图(a)外延单晶InGaAs纳米结构的STEM形貌像;图(b)高分辨率环形暗场STEM形貌像;图(c)ESD分析;图(d)沿纳米结构提取的原子组分


InGaAs光电探测器的静态电光特性


前景展望


近年来的信息处理容量剧增使得相应的计算机和通信系统向高速化、高性能化方向发展,而基于铜互联的电气也将会逐渐成为制约高速通信的一大瓶颈。光通信和光互连技术未能普及,其主要原因并非技术上的困难,而是光电器件在芯片集成和成本上仍旧制约自身的大规模应用。IBM欧洲研究院的这一重大成果,实现了III-V族光器件与硅在平面内的无缝集成,更容易兼容传统逻辑芯片,想必也将会推动光互连技术的进一步发展和成熟,并成为未来超大规模集成电子-光子芯片电路的必要条件。



论文全文链接:

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