本期是科研前線首次分享境外研究機構(gòu)的科研成果。IBM研究院于近日報導(dǎo)了一種新的光子器件集成方式，其團隊以自研工藝實現(xiàn)了在硅上直接外延生長III-V族的光發(fā)射和探測器，器件具有超低電容、高傳輸速率、高帶寬的優(yōu)良特性，并克服了傳統(tǒng)Ge材料的一些問題，為未來的大規(guī)模集成電子-光子芯片的生產(chǎn)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(shù)據(jù)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(dǎo)致了全世界范圍內(nèi)計算處理設(shè)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(shù)據(jù)。長期以來，直接將光互連集成在芯片內(nèi)部實現(xiàn)光互連一直是業(yè)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(fā)射器，另一些則是將復(fù)數(shù)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(fā)的關(guān)鍵技術(shù)組成。目前實現(xiàn)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(dǎo)體Ⅲ-Ⅴ族材料較低的有效質(zhì)量、高吸收系數(shù)和可調(diào)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(zhì)集成頗具挑戰(zhàn)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(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了高性能的紅外探測以及紅外1600nm發(fā)射。相關(guān)論文以“High-speed III-V nanowire photodetector monolithically integrated on Si”為題發(fā)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(fā)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(zhì)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(shè)計的，IBM團隊已實現(xiàn)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(xiàn)了單片集成InGaAs納米p-i-n結(jié)構(gòu)，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(yīng)，其作為光電探測器實現(xiàn)了高速響應(yīng)，3 dB帶寬超過~25 GHz。此外，作為發(fā)光二極管，p-i-n實現(xiàn)了1600 nm紅外發(fā)射。TASE的側(cè)向整合使得同質(zhì)和異質(zhì)結(jié)能夠在納米幾何結(jié)構(gòu)內(nèi)實現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的SEM俯視形貌像；圖(d)p-i-n納米結(jié)構(gòu)橫截面的STEM形貌像

圖(a)外延單晶InGaAs納米結(jié)構(gòu)的STEM形貌像；圖(b)高分辨率環(huán)形暗場STEM形貌像；圖(c)ESD分析；圖(d)沿納米結(jié)構(gòu)提取的原子組分

InGaAs光電探測器的靜態(tài)電光特性

前景展望

近年來的信息處理容量劇增使得相應(yīng)的計算機和通信系統(tǒng)向高速化、高性能化方向發(fā)展,而基于銅互聯(lián)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(shù)未能普及，其主要原因并非技術(shù)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(guī)模應(yīng)用。IBM歐洲研究院的這一重大成果，實現(xiàn)了III-V族光器件與硅在平面內(nèi)的無縫集成，更容易兼容傳統(tǒng)邏輯芯片，想必也將會推動光互連技術(shù)的進一步發(fā)展和成熟，并成為未來超大規(guī)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(shù)研究又出新成果

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