Микротрансферная печать обеспечивает гибкую интеграцию двух или более систем материалов в кремниевых фотонных системах. Источник: Институт инженеров электротехники и электроники

Стремительное развитие искусственного интеллекта и связанной с ним вычислительной инфраструктуры выявило, что ограниченная пропускная способность традиционных электрических межсоединений в интегральных схемах является основным фактором, снижающим производительность систем. Кремниевая фотоника, в которой данные передаются с помощью фотонов, а не электронов, стала перспективным подходом к преодолению ограничений по пропускной способности и задержке. Эта платформа уже широко используется для создания фотонных интегральных схем (ФИС), особенно в телекоммуникациях и передаче данных.

Одним из главных преимуществ кремниевой фотоники является ее совместимость со стандартной технологией комплементарной структуры металл-оксид-полупроводник (КМОП), что позволяет создавать масштабируемые фотонные интегральные схемы с использованием существующей полупроводниковой инфраструктуры. Однако это также накладывает фундаментальное ограничение. Инфраструктура производства КМОП-структур узкоспециализирована и оптимизирована, поэтому в ней невозможно использовать нестандартные материалы.

Обычные полупроводниковые материалы IV группы не могут удовлетворить всем требованиям современных фотонных систем, особенно в том, что касается таких функций, как внутрисхемное генерирование света. Такие материалы, как полупроводники III–V групп и ниобат лития (LiNbO₃), могут обеспечить эти возможности, что подчеркивает необходимость гетерогенной интеграции для расширения функциональности кремниевой фотоники.

Исследование, опубликованное в Journal of Lightwave Technology, рассматривает микротрансферную печать (МТП) как перспективный метод гетерогенной интеграции в кремниевой фотонике.

«Среди различных подходов к гетерогенной интеграции на уровне пластины, MTP — это новая, универсальная технология, которая сочетает в себе преимущества сборки на уровне кристалла и обработки на уровне пластины», — объясняет Ир. Е Чен из Гентского университета — ImeC, Бельгия.

В исследовании подчеркиваются ограничения существующих методов гетерогенной интеграции, а затем описывается, как технология MTP может решить некоторые из этих проблем. Процесс MTP начинается с изготовления тонкопленочных устройств, называемых образцами, на плотной исходной пластине с последующим селективным травлением жертвенного разделительного слоя.

Затем с помощью эластомерного штампа на целевую пластину наносится несколько устройств. Наконец, устройства фиксируются на месте с помощью клея или прямого соединения, что обеспечивает бесшовную интеграцию различных систем материалов на больших площадях кремниевых фотонных платформ.

Примечательно, что одним из главных преимуществ MTP является широкая совместимость материалов, что позволяет интегрировать несколько систем в рамках одной архитектуры. Это дает возможность независимо оптимизировать отдельные чиплетные структуры с использованием наиболее подходящих производственных процессов перед интеграцией, сохраняя при этом совместимость с фотонными платформами на основе КМОП.

Среди недавних примеров использования процесса MTP можно назвать следующие:

• полностью интегрированный кремниевый фотонный двигатель, способный обрабатывать как оптические, так и микроволновые сигналы с помощью лазеров на основе фосфида индия (InP);
• лазеры на основе арсенида галлия, интегрированные с волноводами из нитрида кремния, для применения в виртуальной реальности, квантовых технологиях и микроволновой фотонике;
• широко перестраиваемые узкополосные InP-лазеры, интегрированные с волноводами из нитрида кремния (Si₃N₄), для когерентной связи, обнаружения и измерения дальности;
• интеграция на уровне пластины модуляторов на основе LiNbO₃ с фотонными схемами из Si₃N₄;
• гетерогенные электронно-фотонные оптические приемные платформы.

В исследовании также представлена новая пилотная линия, ориентированная на разработку ключевых аспектов MTP для крупносерийного промышленного производства. Кроме того, авторы описывают ряд нерешенных проблем, в том числе выход годной продукции, надежность, производительность и необходимость в надежной, масштабируемой производственной экосистеме, а также предлагают возможные решения некоторых из этих проблем.

«Технология MTP все еще находится на ранней стадии коммерческого применения, однако мы верим, что последовательное развитие этой технологии вскоре приведет к ее масштабному промышленному производству, проложив путь к передовой кремниевой фотонике, которая принесет пользу многим отраслям», — заключает Ир Чен.