طريقة التكامل الكهروضوئي

الضوئيةطريقة التكامل

التكاملالضوئياتوتعد الإلكترونيات خطوة أساسية في تحسين قدرات أنظمة معالجة المعلومات، مما يتيح معدلات نقل أسرع للبيانات، ويقلل استهلاك الطاقة، وتصميمات أكثر إحكاما للأجهزة، ويفتح فرصًا جديدة هائلة لتصميم الأنظمة. تنقسم طرق التكامل عمومًا إلى فئتين: التكامل المتجانس والتكامل متعدد الشرائح.

التكامل المتآلف
يتضمن التكامل المتآلف تصنيع المكونات الضوئية والإلكترونية على نفس الركيزة، وعادةً ما يتم ذلك باستخدام مواد وعمليات متوافقة. يركز هذا النهج على إنشاء واجهة سلسة بين الضوء والكهرباء داخل شريحة واحدة.
المزايا:
1. تقليل خسائر الاتصال البيني: يؤدي وضع الفوتونات والمكونات الإلكترونية على مقربة من بعضها البعض إلى تقليل خسائر الإشارة المرتبطة بالاتصالات خارج الشريحة.
2، تحسين الأداء: يمكن أن يؤدي التكامل الأكثر إحكامًا إلى سرعات نقل بيانات أسرع بسبب مسارات الإشارة الأقصر وتقليل زمن الوصول.
3، حجم أصغر: يسمح التكامل المتجانس بأجهزة مدمجة للغاية، وهو أمر مفيد بشكل خاص للتطبيقات ذات المساحة المحدودة، مثل مراكز البيانات أو الأجهزة المحمولة.
4، تقليل استهلاك الطاقة: القضاء على الحاجة إلى حزم منفصلة والوصلات البينية لمسافات طويلة، والتي يمكن أن تقلل بشكل كبير من متطلبات الطاقة.
تحدي:
1) توافق المواد: قد يكون العثور على المواد التي تدعم الإلكترونات عالية الجودة والوظائف الضوئية أمرًا صعبًا لأنها تتطلب في كثير من الأحيان خصائص مختلفة.
2، توافق العملية: يعد دمج عمليات التصنيع المتنوعة للإلكترونيات والفوتونات على نفس الركيزة دون المساس بأداء أي مكون واحد مهمة معقدة.
4، التصنيع المعقد: الدقة العالية المطلوبة للهياكل الإلكترونية والفوتونية تزيد من تعقيد وتكلفة التصنيع.

تكامل متعدد الشرائح
يتيح هذا النهج مرونة أكبر في اختيار المواد والعمليات لكل وظيفة. في هذا التكامل، تأتي المكونات الإلكترونية والفوتونية من عمليات مختلفة ثم يتم تجميعها معًا ووضعها على حزمة مشتركة أو ركيزة (الشكل 1). الآن دعونا ندرج أوضاع الترابط بين الرقائق الإلكترونية الضوئية. الترابط المباشر: تتضمن هذه التقنية الاتصال الجسدي المباشر والترابط بين سطحين مستويين، وعادةً ما يتم تسهيل ذلك بواسطة قوى الترابط الجزيئي والحرارة والضغط. إنه يتمتع بميزة البساطة واحتمالية فقدان التوصيلات المنخفضة للغاية، ولكنه يتطلب أسطحًا نظيفة ومحاذاة بدقة. اقتران الألياف/الشبك: في هذا المخطط، تتم محاذاة مجموعة الألياف أو الألياف وربطها بحافة أو سطح الشريحة الضوئية، مما يسمح باقتران الضوء داخل وخارج الشريحة. يمكن أيضًا استخدام الشبكة للاقتران الرأسي، مما يحسن كفاءة نقل الضوء بين الشريحة الضوئية والألياف الخارجية. الثقوب عبر السيليكون (TSVs) والمطبات الدقيقة: الثقوب عبر السيليكون عبارة عن روابط عمودية من خلال ركيزة من السيليكون، مما يسمح بتكديس الرقائق في ثلاثة أبعاد. وبدمجها مع نقاط محدبة دقيقة، فإنها تساعد على تحقيق التوصيلات الكهربائية بين الرقائق الإلكترونية والضوئية في تكوينات مكدسة، مناسبة للتكامل عالي الكثافة. الطبقة الوسيطة الضوئية: الطبقة الوسيطة البصرية عبارة عن ركيزة منفصلة تحتوي على أدلة موجية بصرية تعمل كوسيط لتوجيه الإشارات الضوئية بين الرقائق. فهو يسمح بمحاذاة دقيقة وسلبية إضافيةالمكونات البصريةيمكن دمجها لزيادة مرونة الاتصال. الترابط الهجين: تجمع تقنية الترابط المتقدمة هذه بين الترابط المباشر وتقنية الصدمات الدقيقة لتحقيق توصيلات كهربائية عالية الكثافة بين الرقائق والواجهات الضوئية عالية الجودة. إنه واعد بشكل خاص للتكامل المشترك الإلكتروني البصري عالي الأداء. ربط نتوءات اللحام: على غرار ربط رقاقة الوجه، يتم استخدام نتوءات اللحام لإنشاء توصيلات كهربائية. ومع ذلك، في سياق التكامل الإلكتروني البصري، يجب إيلاء اهتمام خاص لتجنب تلف المكونات الضوئية الناجمة عن الإجهاد الحراري والحفاظ على المحاذاة البصرية.

الشكل 1: مخطط ربط شريحة إلى شريحة الإلكترون/الفوتون

فوائد هذه الأساليب كبيرة: مع استمرار عالم CMOS في متابعة التحسينات في قانون مور، سيكون من الممكن تكييف كل جيل من CMOS أو Bi-CMOS بسرعة على شريحة ضوئية سيليكون رخيصة، وجني فوائد أفضل العمليات في الضوئيات والإلكترونيات. نظرًا لأن الضوئيات عمومًا لا تتطلب تصنيع هياكل صغيرة جدًا (أحجام المفاتيح التي تبلغ حوالي 100 نانومتر نموذجية) ولأن الأجهزة كبيرة مقارنة بالترانزستورات، فإن الاعتبارات الاقتصادية ستميل إلى دفع الأجهزة الضوئية إلى التصنيع في عملية منفصلة، ​​منفصلة عن أي أجهزة متقدمة الإلكترونيات المطلوبة للمنتج النهائي.
المزايا:
1، المرونة: يمكن استخدام مواد وعمليات مختلفة بشكل مستقل لتحقيق أفضل أداء للمكونات الإلكترونية والفوتونية.
2، نضج العملية: استخدام عمليات التصنيع الناضجة لكل مكون يمكن أن يبسط الإنتاج ويقلل التكاليف.
3، ترقية وصيانة أسهل: يسمح فصل المكونات باستبدال المكونات الفردية أو ترقيتها بسهولة أكبر دون التأثير على النظام بأكمله.
تحدي:
1، فقدان الاتصال البيني: يؤدي الاتصال خارج الشريحة إلى فقدان إضافي للإشارة وقد يتطلب إجراءات محاذاة معقدة.
2، زيادة التعقيد والحجم: تتطلب المكونات الفردية تعبئة إضافية واتصالات بينية، مما يؤدي إلى أحجام أكبر وتكاليف أعلى محتملة.
3، استهلاك أعلى للطاقة: قد تؤدي مسارات الإشارة الأطول والتعبئة الإضافية إلى زيادة متطلبات الطاقة مقارنة بالتكامل المتجانس.
خاتمة:
يعتمد الاختيار بين التكامل المتجانس والمتعدد الشرائح على المتطلبات الخاصة بالتطبيق، بما في ذلك أهداف الأداء وقيود الحجم واعتبارات التكلفة ونضج التكنولوجيا. على الرغم من تعقيد التصنيع، يعد التكامل المتجانس مفيدًا للتطبيقات التي تتطلب تصغيرًا كبيرًا، واستهلاكًا منخفضًا للطاقة، ونقلًا عالي السرعة للبيانات. وبدلاً من ذلك، يوفر التكامل متعدد الشرائح مرونة أكبر في التصميم ويستخدم قدرات التصنيع الحالية، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات التي تفوق فيها هذه العوامل فوائد التكامل الأكثر إحكامًا. ومع تقدم البحث، يتم أيضًا استكشاف الأساليب الهجينة التي تجمع بين عناصر كلتا الاستراتيجيتين لتحسين أداء النظام مع تخفيف التحديات المرتبطة بكل نهج.