Ученые из США, Бельгии и Швейцарии разработали новую технологию, позволяющую интегрировать оптические элементы в кремниевые чипы. В отличие от предыдущих подобных разработок, новый способ совместим со многими современными технологиями производства чипов, пишут исследователи в своей статье в журнале Nature.

В используемых сегодня электронных чипах для обмена данными применяются электрические сигналы, а оптическая передача сигнала практически всегда используется для больших расстояний, например, в оптоволоконных линиях связи. Но ученые также ищут способы интегрировать оптические элементы непосредственно в чипы.

Предполагается, что это позволит значительно увеличить их пропускную способность, отчасти благодаря тому, что для передачи данных можно будет использовать разные длины волн и за счет этого передавать одновременно множество потоков. Для сравнения, в обычной электронике приходится применять временное мультиплексирование. Одна их главных проблем распространения оптоэлектроники заключается в том, что обычно такие элементы сложно или невозможно реализовать с помощью техпроцессов, используемых при производстве современных чипов.

Amir Atabaki

Ученые под руководством Раджива Рама (Rajeev Ram) из Массачусетского технологического института разработали новый способ встраивания оптоэлектронных компонентов в чипы, созданные по применяемым сегодня КМОП-техпроцессам. Они предложили размещать оптические элементы в виде пленки из поликристаллического кремния на «островках» из оксида кремния, которые используются для изоляции транзисторов в чипах. Для этого изолирующий слой пришлось сделать довольно толстым — 1,5 микрометра. Толщина слоя поликристаллического кремния составляет 220 нанометров.

Схема оптоэлектронного чипа. Amir Atabaki et al. / Nature, 2018

По такой технологии ученые создали в лаборатории прототипы чипов, выполненные по 65-нанометровому техпроцессу, который применяется для производства КМОП-электроники. В этих прототипах они смогли реализовать несколько оптических элементов, в том числе и приемопередатчик, способный передавать сигналы с мультиплексированием по длине волны. Помимо этого они создали на чипе кольцевые резонаторы, лавинные фотодетекторы и несколько других элементов.

Как отмечают авторы, такая интеграция оптических элементов не влияет не характеристики транзисторов в чипе, рядом с которыми они располагаются. Также они подчеркивают, что технологию можно применять с реально используемыми техпроцессами, такими как FinFET и TBFD-SOI.

Оптические элементы, созданные исследователями. Amir Atabaki et al. / Nature, 2018

В прошлом году исследователи разработали другую технологию для интеграции оптических элементов в классическую кремниевую электронику. Для этого они использовали двумерный материал — двухслойных дителлурид молибдена. С его помощью они создали элемент, который может служить как фотодетектором, так и излучателем, и переключается между этими состояниями в зависимости от приложенного напряжения.

Автор: Григорий Копиев