日经产业新闻：硅光子带来小型化及低成本化

11/18/2009, 原文链接 http://china.nikkeibp.com.cn/news/semi/48866-20091117.html?ref=ML

　　“硅光子掌握着Tbit/秒计算技术的关键”（英特尔院士、企业技术事业部光子学技术实验室总监马里奥·潘）。在硅底板上集成光收发元件和光波导的“硅光子”已成为开发热点。最近2～3年间，硅底板上形成的元件在性能方面实现了飞跃。数据传输速度有望达到光布线需要的数十Gbit/秒水平。 
　　硅光子最快将从2010年代中期起应用于板卡间及芯片间的光布线。向LSI芯片内部导入光布线的做法预计将于2010年代后期启动。 
　　英特尔等LSI巨头如今面临的开发课题是采用什么技术在硅底板上形成光布线组件——光收发元件和波导。可以使用的方法包括利用CMOS工艺集成或利用安装工艺集成。因此，与光收发元件和波导单独在印刷底板上安装的方式相比，光布线模块有望实现小型化和低成本化。 
　　例如，负责光电转换的光接收元件（光电二极管）安装面积一般大于1mm见方。如果能够在硅底板上形成该元件，则安装面积能够缩小到小于100μm见方。对于成本，“为LSI开发的低成本制造技术能够继续发挥作用”（马里奥·潘）。 
　　LSI厂商涉足光布线技术源于光布线向LSI芯片渗透的潮流。将LSI的全局布线更改为光布线能够提高芯片内的信号传输速度并实现节能。而现行金属布线在微细化的同时会出现寄生电阻增大现象，导致数据传输功耗加大。“难以满足20GHz以上的要求”（日本东北大学教授工学研究系生物机器人学专业小柳光正）。 
　　基于以上原因，日本的半导体尖端技术公司（Selete）目前正在开发面向LSI芯片内部的光布线技术。“该技术将争取利用2015年左右投入量产的半间距22nm工艺实现实用化”（Selete第四研究部NSI计划光布线项目项目经理、NEC纳米电子研究所主任研究员大桥启之）。 
　　硅光子实用化面临的技术难题在于弥补硅作为光收发元件材料的缺点。作为光收发元件材料，硅的很多性质低于化合物半导体。 
　　首先，硅拥有间接跃迁型带结构，难以实现自主发光。因此，在硅底板上形成硅激光光源“极其困难”（东京大学大学院工学系研究科教授材料工学专业和田一实）。而且，硅对于长波长光线透明，即吸收系数小，难以制成长波长波带的光接收元件。 
　　最近2～3年间，解决以上课题的技术接连亮相。对于光布线构件，无论是（1）光电转换（光接收）元件、（2）波导、（3）调制器，还是（4）光源（发光元件），通往配备硅底板的道路都已畅通。 
　　在硅底板上形成数据传输速度可达30G～40Gbps的光接收元件已经成为了现实。这归功于对硅的Ⅳ族同族半导体——锗的利用。 
　　锗对光纤通信使用的1.55μm波带和1.3μm波带光线拥有大吸收系数。因此，能够制成在该波带效率较高的光接收元件。而且，锗与CMOS工艺的结合性好，便于LSI厂商处理。目前，硅锗已经作为LSI晶体管的应变加载材料投入量产，锗通道晶体管的开发也在积极开展。 
　　另一方面，在硅底板上形成缺陷少的高品质锗膜曾经是棘手难题。其主要原因在于锗与硅的晶格常数有4％的差异。到了今天，通过利用硅锗缓冲层缓和晶格常数的不匹配、使用低温生长的锗作为缓冲层等方法，在硅底板上形成高品质锗膜成为了现实。成膜时产生的位错缺陷可以利用退火处理予以减少。 
　　除改变材料外，采用新工作原理在硅底板上形成光接收元件的行动也日趋活跃。利用表面等离子体共振（注2）这一物理现象的光电二极管就是其代表之一。 
　　二极管能够借助表面等离子体共振加大接收光的强度，从而实现高灵敏度硅光电二极管。由于其尺寸可以缩小到不足数μm见方，因此还具有能够缩短载子前进距离、提高工作速度的优点。能够实现传统硅光电二极管难以达到的数十Gbit/秒的数据传输。NEC目前正在开发使用表面等离子体共振的光电二极管，20Gbit/秒的数据传送现已得到验证。（记者：大下 淳一）