TWI616987B - 光子材料中介層的方法及系統 - Google Patents

光子材料中介層的方法及系統 Download PDF

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TWI616987B
TWI616987B TW104120605A TW104120605A TWI616987B TW I616987 B TWI616987 B TW I616987B TW 104120605 A TW104120605 A TW 104120605A TW 104120605 A TW104120605 A TW 104120605A TW I616987 B TWI616987 B TW I616987B
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葛瑞格 楊
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Abstract

本發明揭示用於一光子材料中介層的方法及系統且該等方法可包括在一矽光子材料中介層中自一外部光源(自一光源總成或自耦合至該矽光子材料中介層之光纖)接收一或多個連續波(CW)光信號。該等所接收CW光信號可基於接收自電子晶粒之電信號來處理。經調變光信號可自耦合至該矽光子材料中介層之光纖接收於該矽光子材料中介層中。電信號可基於該等所接收經調變光信號產生於該矽光子材料中介層中，且然後可經由銅柱傳遞至該電子晶粒。光信號可利用光柵耦合器傳遞至該矽光子材料中介層中及/或自該矽光子材料中介層傳遞出。該電子晶粒可包含一處理器核心、一交換器核心或路由器中之一或多者。

Description

光子材料中介層的方法及系統 相關申請案交叉引用/以引用方式併入
本申請案係2009年9月4日提出申請之美國申請案第12/554,449號之部分接續申請案，且亦主張2011年3月30日提出申請之美國臨時申請案61/516,226之優先權，每一上述申請案皆以全文引用方式據此併入本文中。
本發明之某些實施例係關於半導體處理。更特定而言，本發明之某些實施例係關於一種用於一光子材料中介層的方法及系統。
隨著資料網路按比例縮放以滿足不斷增加的頻寬要求，銅資料通道之缺點越來越明顯。因輻射電磁能量而引起之信號衰減及串擾係此等系統之設計者所遇到的主要障礙。信號衰減及串擾可藉由均衡、編碼及屏蔽在一定程度上減輕，但此等技術需要相當大的功率、複雜度及電纜容積損失而僅提供區域方面的適度改進及非常有限的可縮放性。擺脫此等通道限制，光通信已被視為銅鏈路之繼承者。
參照附圖比較此等系統與本申請案其餘部分中所述之本發明，熟習此項技術者將看出習用及傳統方法之進一步限制及缺點。
一種如申請專利範圍中更全面陳述，實質上如結合圖式中之至少一者所展示及/或所闡述之用於一光子材料中介層的系統及/或方 法。
通過下文說明及附圖可更全面的瞭解本發明之各種優點、態樣及新穎特徵以及本發明之一所圖解說明實施例之細節。
100‧‧‧收發器
101‧‧‧連續波光信號
103A‧‧‧分接頭
103B‧‧‧分接頭
103C‧‧‧分接頭
103D‧‧‧分接頭
103E‧‧‧分接頭
103F‧‧‧分接頭
103G‧‧‧分接頭
103H‧‧‧分接頭
103I‧‧‧分接頭
103J‧‧‧分接頭
103K‧‧‧分接頭
105A‧‧‧高速光調變器
105B‧‧‧高速光調變器
105C‧‧‧高速光調變器
105D‧‧‧高速光調變器
107A‧‧‧跨阻抗及限幅擴大器
107B‧‧‧跨阻抗及限幅擴大器
107C‧‧‧跨阻抗及限幅擴大器
107D‧‧‧跨阻抗及限幅擴大器
109‧‧‧類比及數位控制電路
111A‧‧‧高速光電二極體
111B‧‧‧高速光電二極體
111C‧‧‧高速光電二極體
111D‧‧‧高速光電二極體
112A‧‧‧控制區段
112B‧‧‧控制區段
112C‧‧‧控制區段
112D‧‧‧控制區段
113A‧‧‧監測光電二極體
113B‧‧‧監測光電二極體
113C‧‧‧監測光電二極體
113D‧‧‧監測光電二極體
113E‧‧‧監測光電二極體
113F‧‧‧監測光電二極體
113G‧‧‧監測光電二極體
113H‧‧‧監測光電二極體
115A‧‧‧光學終端
115B‧‧‧光學終端
115C‧‧‧光學終端
115D‧‧‧光學終端
117A‧‧‧光柵耦合器
117B‧‧‧光柵耦合器
117C‧‧‧光柵耦合器
117D‧‧‧光柵耦合器
117E‧‧‧光柵耦合器
117F‧‧‧光柵耦合器
117G‧‧‧光柵耦合器
117H‧‧‧光柵耦合器
200‧‧‧光子收發器
201‧‧‧印刷電路板/基板
203‧‧‧矽光子材料中介層
205‧‧‧電子晶粒
206‧‧‧穿矽導通體
207‧‧‧銅柱
209‧‧‧光源模組
211‧‧‧光輸入/輸出
213‧‧‧線接合
215‧‧‧光學環氧樹脂
217‧‧‧光纖
219‧‧‧接觸墊
301‧‧‧光柵耦合器
303‧‧‧偏振分裂光柵耦合器
305‧‧‧光電偵測器
307‧‧‧光調變器
309‧‧‧穿矽導通體
311‧‧‧光波導
400‧‧‧混合整合半導體結構
401A‧‧‧基板
401B‧‧‧矽基板
403‧‧‧隱埋氧化物
405‧‧‧矽層
407‧‧‧井
410A‧‧‧電晶體
410B‧‧‧電晶體
413‧‧‧自對準金屬矽化物區塊
415A‧‧‧接觸層
415B‧‧‧接觸層
417A‧‧‧金屬1層
417B‧‧‧金屬1層
420‧‧‧光學裝置
423‧‧‧最後金屬層
425‧‧‧鈍化層
427‧‧‧金屬層
431‧‧‧閘極
433‧‧‧鈍化層
435‧‧‧經摻雜接觸區
437‧‧‧經摻雜接觸區
439‧‧‧經蝕刻區
443A‧‧‧穿矽導通體
443B‧‧‧穿矽導通體
445‧‧‧鍺層
450‧‧‧互補金屬氧化物半導體光子基板/晶片/晶粒
460‧‧‧互補金屬氧化物半導體電子基板/晶片/晶粒
500‧‧‧多核光子材料中介層交換器
507‧‧‧光源
520‧‧‧交換器核心總成
521‧‧‧焊料凸塊
523‧‧‧電子驅動器晶粒
525‧‧‧電子材料中介層
540‧‧‧交換器核心總成
600‧‧‧單核光子材料中介層交換器
700‧‧‧多核中介層
圖1係根據本發明之一實施例利用一光子材料中介層之一CMOS收發器之一方塊圖。
圖2A係圖解說明根據本發明之一實施例包括一光子材料中介層之一例示性光收發器之一示意圖。
圖2B係根據本發明之一實施例之一混合整合光子收發器之一透視圖。
圖2C係根據本發明之一實施例具有兩個耦合電子晶粒之一光子材料中介層之一透視圖。
圖3係圖解說明根據本發明之一實施例一電子晶粒至一光子材料中介層之混合整合之一示意圖。
圖4係圖解說明根據本發明之一實施例之例示性金屬柱耦合電裝置及光電裝置之一截面之一示意圖。
圖5A係圖解說明根據本發明之一實施例具有多個交換器核心之一例示性光子材料中介層之一圖解。
圖5B係圖解說明根據本發明之一實施例具有一交換器核心及光電晶粒之例示性光子材料中介層及電子材料中介層之一圖解。
圖5C係圖解說明根據本發明之一實施例具有一交換器核心及光電晶粒之一例示性光子材料中介層之一圖解。
圖6係圖解說明根據本發明之一實施例具有一單個交換器核心之一例示性光子材料中介層之一圖解。
圖7係圖解說明根據本發明之一實施例具有多核互連及波導之一光子材料中介層之一圖解。
圖8係圖解說明根據本發明之一實施例具有多核互連及波導之一光子材料中介層之一圖解。
本發明之某些態樣可在用於一光子材料中介層之一方法及系統中找到。本發明之例示性態樣可包含在一矽光子材料中介層中自處於該矽光子材料中介層外部之一光源接收一或多個連續波(CW)光信號。該等所接收CW光信號可基於接收自該一或多個CMOS電子晶粒之電信號來處理。經調變光信號可自耦合至該矽光子材料中介層之一或多個光纖接收於該矽光子材料中介層中。電信號可基於該等所接收經調變光信號產生於該矽光子材料中介層中。該等所產生電信號可經由(舉例而言)銅柱傳遞至該一或多個CMOS電子晶粒。該一或多個CW光信號可自耦合至該矽光子材料中介層之一光源總成接收於該矽光子材料中介層中。該一或多個CW光信號可接收自耦合至該矽光子材料中介層之一或多個光纖。該一或多個所接收CW光信號可利用該矽光子材料中介層中之一或多個光調變器來處理。該一或多個光調變器可包含馬赫-澤德干涉儀調變器。該等電信號可利用整合於該矽光子材料中介層中之一或多個光電偵測器產生於該矽光子材料中介層中。光信號可利用光柵耦合器傳遞至該矽光子材料中介層中及/或自該矽光子材料中介層傳遞出。該一或多個電子晶粒可包含一處理器核心、一交換器核心或路由器中之一或多者。該整合型光通信系統包含複數個收發器。
圖1係根據本發明之一實施例利用一光子材料中介層之一CMOS收發器之一方塊圖。參見圖1，展示一收發器100中之光電裝置，其包含高速光調變器105A至105D、高速光電二極體111A至111D、監測光電二極體113A至113H及包含分接頭103A至103K、光學終端115A至115D及光柵耦合器117A至117H之光學裝置。亦展示包含跨阻抗及限 幅擴大器(TIA/LA)107A至107E、類比及數位控制電路109及控制區段112A至112D之電裝置及電路。光信號經由製作於一CMOS中介層晶片中之光波導在光學及光電裝置之間傳遞，其中該等光波導由虛線橢圓指示於圖1中。光學裝置及光電裝置整合於一矽光子材料中介層中而電裝置整合至耦合至該矽光子材料中介層之一或多個CMOS電子晶片中。
高速光調變器105A至105D包含(舉例而言)馬赫-澤德變調器或環形調變器，且達成對CW雷射輸入信號之調變。高速光調變器105A至105D由控制區段112A至112D控制，且該等調變器之輸出經由波導光學耦合至光柵耦合器117E至117H。分接頭103D至103K包含(舉例而言)四埠光耦合器，且用於取樣由高速光調變器105A至105D產生之光信號，其中所取樣信號由監測光電二極體113A至113H量測。分接頭103D至103K之未使用分支由光學終端115A至115D端接以避免無用信號背反射。
光柵耦合器117A至117H包含達成光進入及退出該矽光子材料中介層之耦合之光柵。光柵耦合器117A至117D可用於將接收自光纖之光耦合至該矽光子材料中介層中，且可包含偏振無關光柵耦合器。光柵耦合器117E至117H可用於將光自該矽光子材料中介層耦合至光纖中。光纖可(舉例而言)用環氧樹脂膠合至CMOS晶片，且可以與該矽光子材料中介層之表面正交之一角度對準以最佳化耦合效率。
高速光電二極體111A至111D將接收自光柵耦合器117A至117D之光信號轉換成傳遞至TIA/LA 107A至107D以供處理之電信號。類比及數位控制電路109可控制TIA/LA 107A至107D中之增益位準或其他參數。TIA/LA 107A至107D、類比及數位控制電路109及控制區段112A至112D可整合於可經由銅柱接合至該矽光子材料中介層之一或多個電子CMOS晶片上。以此方式，電子及光子效能可在不同CMOS節點 上獨立最佳化。TIA/LA 107A至107D然後可將電信號傳遞至該電子晶片上之其他電路。
TIA/LA 107A至107D可包含窄頻非線性光電接收器電路。因此，窄頻接收器前端後可接著諸如(舉例而言)一不歸零(NRZ)位準復位器電路之一復位器電路。一復位器電路限制光學接收器之頻寬以便降低整合雜訊，從而提高信雜比。一NRZ位準復位器可用於將所得資料脈衝轉換回成NRZ資料。
控制區段112A至112D包含達成對接收自分接頭103A於103C之CW雷射信號之調變的電子電路。高速光調變器105A至105D需要高速電信號以調變(舉例而言)一馬赫-澤德干涉儀(MZI)之各別分支中之折射率。
在本發明之一實施例中，將為一收發器所需之所有光學及光電裝置整合至一單個矽光子材料中介層中並將所有所需電子裝置整合於一或多個CMOS電子晶片上達成所得單個混合封裝之最佳化效能。以此方式，電子裝置效能可獨立於該矽光子材料中介層中之光子裝置之最佳化而最佳化。舉例而言，電子CMOS晶片可在一32nm CMOS製程上最佳化，而矽光子材料中介層可在一130nm CMOS節點上最佳化。該等電子裝置可放置於該電子晶片上以使得其在接合至該矽光子材料中介層時位於其相關聯光子裝置正上方。舉例而言，控制區段112A至112D可位於一電子CMOS晶片上以使得其位於高速光調變器105A至105B正上方且可由低寄生銅柱耦合。
在一例示性實施例中，混合收發器100包含具有一個光源之四個光電收發器，且達成光信號至及自該矽光子材料中介層之表面的垂直傳遞，從而達成對包括一CMOS保護環之CMOS製程及結構之使用。該矽光子材料中介層包含諸如光電偵測器及調變器之主動裝置以及諸如波導、分裂器、組合器及光柵耦合器之被動裝置兩者，從而達成整 合於CMOS晶片上之光子電路。
圖2A係圖解說明根據本發明之一實施例包括一光子材料中介層之一例示性光收發器之一示意圖。參見圖2A，展示一光子收發器200，其包含一印刷電路(PCB)/基板201、一矽光子材料中介層203、一電子CMOS晶粒205、穿矽導通體(TSV)206、銅柱207、一光源模組209、一光輸入/輸出(I/O)211、線接合213、光學環氧樹脂215及光纖217。
PCB/基板201可包含光子收發器200之一支撐結構，且可包含用於隔離裝置以及經由矽光子材料中介層203為矽光子材料中介層203上之主動裝置以及電子晶粒205上之裝置提供電接觸之絕緣及導電材料兩者。另外，該PCB/基板可提供一導熱路徑以帶走由電子晶粒205及光源模組209中之裝置及電路所產生之熱量。
矽光子材料中介層203可包含具有諸如(舉例而言)波導、調變器、光電偵測器、光柵耦合器、分接頭及組合器之主動及被動光學裝置之一CMOS晶片。由矽光子材料中介層203支援之功能可包含光偵測、光調變、光路由及用於高速I/O及光功率傳送之光介面。
矽光子材料中介層203亦可包含用於將電子晶粒205耦合至矽光子材料中介層203之銅柱207以及用於將光自光源模組209耦合至該晶粒中並經由光I/O 211進入/退出該晶粒之光柵耦合器。另外，矽光子材料中介層203可包含用於諸如PCB/基板201與電子晶粒205之間的經由該晶粒之電互連之TSV 206。光介面亦可由光學環氧樹脂215促進，從而提供光學透明及機械固定兩者。
電子晶粒205可包含提供光子收發器200之所需電子功能之一或多個電子CMOS晶片。電子晶粒205可包含一單個晶片或經由銅柱207耦合至矽光子材料中介層203之復數個晶粒。電子晶粒205可包含TIA、LNA及用於處理光子晶片203中之光信號之控制電路。舉例而 言，電子晶粒205可包含用於控制矽光子材料中介層203中之光調變器之驅動電路及用於放大接收自矽光子材料中介層203中之光電偵測器之電信號之可變增益放大器。藉由在矽光子材料中介層203中併入光子裝置且在電子晶粒205中併入電子裝置，每一晶片之CMOS製程可針對所併入之裝置之類型最佳化。
TSV 206可包含垂直延伸穿過矽光子材料中介層203且提供電子晶粒205與PCB/基板201之間的電連接之導電路徑。此可代替諸如線接合213之線接合或與線接合結合使用。
銅柱207可包含線性或2D金屬柱陣列以提供矽光子材料中介層203與電子晶粒205之間的電接觸。舉例而言，銅柱207可提供矽光子材料中介層203中之光電偵測器與電子晶粒205中之相關聯接收器電路之間的電接觸。另外，銅柱207可提供電子晶粒與光子晶粒之機械耦合，且可囊封具有底膠填充以保護金屬及其他表面。
光源模組209可包含具有諸如一半導體雷射之一光源以及相關聯光學元件及電元件以將一或多個光信號引導至矽光子材料中介層203中。該光源模組之一實例闡述於2009年7月9日提出申請之美國專利申請案12/500,465中，該專利申請案以全文引用方式據此併入本文中。在另一例示性場景中，來自光源總成209之該光信號或該等光信號可經由附加在矽光子材料中介層203中之光柵耦合器上方之光纖耦合至矽光子材料中介層203中。
光I/O 211可包含用於將光纖217耦合至矽光子材料中介層203之一總成。因此，光I/O 211可包含諸如藉由光學環氧樹脂215對一或多個光纖及耦合至矽光子材料中介層203之一光學表面之機械支撐。在另一例示性場景中，光I/O 211亦可沿著矽光子材料中介層203之一邊緣附加，如由虛線光I/O 211所示，從而達成光信號至光波導而不是矽光子材料中介層203之表面上之光柵耦合器中之直接耦合。
在操作中，連續波(CW)光信號可經由矽光子材料中介層203中之一或多個光柵耦合器自光源模組209耦合至矽光子材料中介層203中。矽光子材料中介層203中之光子裝置然後可處理該所接收光信號。舉例而言，一或多個光調變器可基於接收自電子晶粒205之電信號來調變該CW信號。電信號可經由銅柱207接收自電子晶粒205。藉由整合矽光子材料中介層203中處於電子晶粒205中之電信號之源正下方的調變器，可使信號路徑長度最小化，從而產生超高速效能。舉例而言，利用具有<20fF電容之~20微米銅柱，可達到50GHz及更高之速度。
經調變光信號然後可經由位於光I/O 211下方之光柵耦合器自矽光子材料中介層203傳遞出。以此方式，產生於電子晶粒205中之高速電信號可用於調變一CW光信號且隨後經由光纖217自矽光子材料中介層203傳遞出。
類似地，經調變光信號可經由光纖217及光I/O 211接收於矽光子材料中介層203中。所接收光信號可在矽光子材料中介層203內經由光波導傳遞至整合於矽光子材料中介層203中之一或多個光電偵測器。該等光電偵測器可整合於矽光子材料中介層203中以使得其在由低寄生電容銅柱207接合並電耦合時位於電子晶粒205中之相關聯接收器電子電路正下方。
CMOS電子晶粒經由銅柱於矽光子材料中介層上之混合整合達成利用CMOS製程之超高速收發器。另外，整合單獨的光子晶粒與電子晶粒實現各別CMOS製程內之電子及光子功能之效能之獨立最佳化。藉由面對面接合至該矽光子材料中介層之電子晶粒可含有「驅動」該中介層上之光子電路之電路。彼等電路取代來自習用電互連解決方案之電子發信驅動電路。
另外，多個電子晶粒之間的光互連(亦即，晶片對晶片互連)係由 矽光子材料中介層203達成，其中收發器功能係由經組合電子晶粒與中介層及矽光子材料中介層晶粒203上之相關聯光路由支援。本發明並不限於圖2A中所示之配置。因此，亦可具有各種堆疊配置。舉例而言，光子材料中介層可夾於電子晶片之間且中介層/電子晶片之堆疊可經組態而產生一3維結構。
圖2B係根據本發明之一實施例之一混合整合光子收發器之一透視圖。參見圖2B，展示PCB/基板201、矽光子材料中介層203、電子晶粒205、銅柱207、光源總成209、光I/O 211、線接合213、光纖217及接觸墊219。
電子晶粒205展示為在經由銅柱207接合至矽光子材料中介層203之表面之前，如由每一晶粒下方之虛線箭頭所圖解說明。雖然圖2B中展示兩個電子晶粒205，但應注意，本發明並不受限於此。因此，依據(舉例而言)收發器數目、所利用之CMOS節點、熱傳導及空間限制，任意數目個電子晶粒可耦合至矽光子材料中介層203。
在另一例示性實施例中，光源總成209可位於遠端且一或多個光纖可用於經由(舉例而言)光柵耦合器將該光源耦合至矽光子材料中介層203中。
在一例示性實施例中，電子功能可整合至電子晶粒205中且光子電路可利用獨立CMOS製程整合至矽光子材料中介層203中。電子晶粒205可包含與矽光子材料中介層203中之光子裝置相關聯之電子裝置，從而使電路徑長度最小化同時仍實現電子裝置及光子裝置之獨立效能最佳化。舉例而言，產生諸如最快交換速度之最高電子效能之CMOS製程可能對於CMOS光子效能並非最佳的。類似地，不同技術可併入於不同晶粒中。舉例而言，SiGe CMOS製程可用於諸如光電偵測器之光子裝置，且32nm CMOS製程可用於電子晶粒205上之電子裝置。
矽光子材料中介層203可包含可藉以接收、處理光信號並將其自矽光子材料中介層203傳遞出之光子電路。光源總成209可提供一CW光信號至矽光子材料中介層203，其中矽光子材料中介層203中之光子電路處理該CW信號。舉例而言，該CW信號可經由光柵耦合器耦合至矽光子材料中介層203中，經由光波導傳遞至該晶粒上之各種位置，由馬赫-澤德干涉儀(MZI)調變器調變，且自矽光子材料中介層203傳遞出進入光纖。以此方式，在CMOS製程中達成複數個高效能光收發器之混合整合。
在另一例示性場景中，矽光子材料中介層203可提供電子晶粒之間的光路由。舉例而言，電子晶粒205可包含複數個處理器及記憶體晶粒。來自電子晶粒205之電信號可經由(舉例而言)銅柱傳遞至矽光子材料中介層203上之調變器，且轉換至光信號以在利用光電偵測器轉換回至電子信號之前經由光波導路由至另一電子晶粒。以此方式，針對複數個電子晶粒達成超高速耦合，從而減少對(舉例而言)處理器晶片之記憶體要求。
利用光信號來互連電子晶粒達成非常密集及低功率互連，此乃因不需要受控阻抗線。此外，可藉助一唯光子晶粒上之整合來減少成本，此乃因這樣不存在該中介層中之功率耗散晶粒，且電子晶粒可藉助習用方法來散熱。
圖2C係根據本發明之一實施例具有兩個耦合電子晶粒之一光子材料中介層之一透視圖。參見圖2C，展示PCB/基板201、矽光子材料中介層203、電子晶粒205、光源總成209、光I/O 211、線接合213及光纖217。
電子晶粒205展示為經由銅柱接合至矽光子材料中介層203之表面。雖然圖2C中展示兩個電子晶粒205，但再次應注意，本發明未必受限於此。因此，依據(舉例而言)收發器數目、所利用之特定CMOS 節點、熱傳導及空間限制，任意數目個電子晶粒可耦合至矽光子材料中介層203.
在一例示性實施例中，電子功能可整合至電子晶粒205中且光子電路可利用獨立CMOS製程整合至矽光子材料中介層203中。電子晶粒205可包含與矽光子材料中介層203中之光子裝置相關聯之電子裝置，從而使電路徑長度最小化同時仍實現電子裝置及光子裝置之獨立效能最佳化。不同技術可併入於不同晶粒中。舉例而言，SiGe CMOS製程可用於諸如光電偵測器之矽光子材料中介層203中之光子裝置，且32nm CMOS製程可用於電子晶粒205上之電子裝置。
在另一例示性場景中，電子晶粒205中之一者可包含一習用專用積體電路(ASIC)且一第二電子晶粒205可包含具有用於驅動矽光子材料中介層203中之光子裝置之電路之一驅動器晶粒。因此，該驅動器晶粒可經由矽光子材料中介層203自該ASIC接收電子信號並使用所接收信號以隨後驅動矽光子材料中介層203中之光子裝置。以此方式，第二晶粒提供該驅動電路而不是將驅動電路整合於該ASIC中。此可使得現有ASIC設計能夠與矽光子材料中介層203整合在一起而無需對ASIC I/O電路作任何修改。參照圖5B及圖5C進一步圖解說明此等例示性實施例。
矽光子材料中介層203可包含可藉以接收、處理光信號並將其自矽光子材料中介層203傳遞出之光子電路。光源總成209可提供一CW光信號至矽光子材料中介層203且由經由線接合213耦合至光源總成209之電壓加偏壓。矽光子材料中介層203中之光子電路然後可處理該CW信號。舉例而言，該CW信號可經由光柵耦合器耦合至矽光子材料中介層203中，經由光波導傳遞至該晶粒上之各種位置，由MZI調變器調變，經由光I/O 211自矽光子材料中介層203傳遞出進入光纖217。
熱量可經由PCB/基板201傳導離開該晶粒。以此方式，矽光子材料中介層及電子晶粒205可達成利用單獨最佳化CMOS製程之複數個高效能光收發器。類似地，矽光子材料中介層203可達成電子晶粒205中之電子電路之間(諸如(舉例而言)處理器核心與記憶體之間)的高速互連。
圖3係圖解說明根據本發明之一實施例一電子晶粒至一光子材料中介層之混合整合之一示意圖。參見圖3，展示電子晶粒205、銅柱207及矽光子材料中介層203。矽光子材料中介層203可包含光柵耦合器301、一偏振分裂光柵耦合器303、一光電偵測器305、一光調變器307、TSV 309及光波導311。
銅柱207提供電子晶粒205與矽光子材料中介層203之間的電耦合及機械耦合兩者。光柵耦合器301達成光進入及/或退出光子晶粒/中介層300之耦合。類似地，偏振分裂光柵耦合器303可達成兩個偏振之光進入及/或退出光子晶粒/中介層300之耦合。
調變器307可包含(舉例而言)一MZI調變器，且可操作以基於經由銅柱207接收自電子晶粒205之電信號來調變一光信號。在一例示性場景中，一CW光信號可經由光柵耦合器301中之一者接收自一光源，經由光波導311傳遞，由光調變器307調變，由光波導311傳遞回，且經由另一光柵耦合器301退出矽光子材料中介層203。
光電偵測器305可包含(舉例而言)一半導體光電二極體，且可操作以將一所接收光信號轉換至一電信號。在一例示性場景中，具有垂直偏振之光信號可由偏振分裂光柵耦合器303接收，經由波導311傳遞，由光電偵測器305轉換至一電信號，其中所得電信號經由銅柱207傳遞至電子晶粒205。該等電信號可由電子晶粒205中之電子元件進一步處理且經由線接合或銅柱207及TSV 309傳遞至其他電路。
矽光子材料中介層203包含可為複數個電子晶粒提供光子電路之 一CMOS光子晶粒，從而減少或排除高速電子元件之間的電互連。此可用於(舉例而言)高速記憶體存取、高速處理器互連及耦合複數個高速電子晶片。
圖4係圖解說明根據本發明之一實施例之例示性金屬柱耦合電裝置及光電裝置之一截面之一示意圖。參見圖4，展示一混合整合半導體結構400，其包含一CMOS光子基板/晶片/晶粒450、一CMOS電子基板/晶片/晶粒460及用於基板/晶片實體耦合及電耦合之一金屬層427。CMOS光子基板/晶片/晶粒450包含光學裝置420及相關聯層，且CMOS電子基板/晶片/晶粒460包含電晶體410A及410B以及相關聯層。該晶粒之層用於製作電晶體410A及410B以及光學裝置420，以(舉例而言)隔離該等裝置並提供至該等裝置之電連接。
CMOS電子基板/晶片/晶粒450包含一基板401A、一隱埋氧化物403、一矽層405、一接觸層415A、一金屬1層417A以及穿矽導通體(TSV)443A及443B。光學裝置420包含矽層405之經摻雜區及/或未經摻雜區、一自對準金屬矽化物區塊413、經摻雜接觸區435及437、經蝕刻區439以及鍺層445。自對準金屬矽化物區塊413包含一層材料以防止光學裝置420及其他光學裝置之矽在標準CMOS製程期間金屬矽化。若光學裝置中之矽自對準金屬矽化，則將導致大的光損失。另外，自對準金屬矽化物區塊413阻止不必需的植入體進入該等波導及其他光學裝置，不必需的植入體進入該等波導及其他光學裝置亦將造成不必需的損失。自對準金屬矽化物區塊413可蝕刻至矽層405以便可沈積鍺層445. 鍺層445可用於(舉例而言)一光電偵測裝置中。另外，矽層405中之經蝕刻區439可用於光約束。每一區439可由(舉例而言)一低k電介質再填充，或者可包含不具有再填充材料之一空氣間隙。填充材料可包含(舉例而言)氧化矽或氧氮化矽材料。
CMOS電子基板/晶片/晶粒460包含一矽基板401B、一井407、一 接觸層415B、一金屬1層417B、一最後金屬層423、一鈍化層425及金屬層427。金屬1層417B、最後金屬層423及金屬層427提供層之間及至諸如電晶體410A及410B以及光學裝置420之電裝置及光電裝置之電接觸。接觸層415亦達成至該等裝置之電接觸同時藉由在導電導通體之間併入絕緣材料來提供裝置之間的電隔離。
電晶體410A及410B包含具有分別由(舉例而言)摻雜劑植入製程形成於井407或基板401B中之源極區及汲極區之一容積電晶體以及一閘極431及一鈍化層433。閘極431可包含(舉例而言)金屬或多晶矽，且可由一薄氧化層(未展示)與井407隔離。
在本發明之一實施例中，獨立CMOS製程可用於製作CMOS光子基板/晶片/晶粒450及CMOS電子基板/晶片/晶粒460以使得該等製程針於每一裝置類型最佳化。CMOS光子基板/晶片/晶粒450可包含可操作以耦合至用於在電子晶粒之間傳遞高速信號之一或多個電子晶粒而無需阻抗受控電路徑之一光子材料中介層，諸如矽光子材料中介層203。該中介層及該電子晶粒可在不同CMOS製程中製作而成。以此方式，層厚度及摻雜位準可針對各別結構中之最佳電子及光子效能組態而無與同時製作電子結構及光子結構相關聯之效能折衷。
圖5A係圖解說明根據本發明之一實施例具有多個交換器核心之一例示性光子材料中介層之一圖解。參見圖5A，展示一多核光子材料中介層交換器500，其包含PCB/基板201、矽光子材料中介層203、電子晶粒205、光I/O 211、光纖217、TSV 309及光源507。
光源507包含自諸如一雷射之一源接收一光信號之一光纖及光I/O，從而免除對如圖2A至圖2C中所示直接耦合至矽光子材料中介層203之一光源總成之需要。光源507中之光纖可包含用於將一單模耦合至矽光子材料中介層203中之一單模光纖。在一例示性實施例中，光源507提供一CW光信號至該矽光子材料中介層。
在另一例示性場景中，該四個電子晶粒205可包含路由器、交換器及/或用於處理電信號之處理器核心。電子晶粒205可經由該等晶片之背側散熱，其中該背側係與耦合至矽光子材料中介層203之側相反之圖5B中之電子晶粒205之面朝上側。多核光子材料中介層交換器500可包含具有經由矽光子材料中介層203之每一核心之間的300吉兆/秒互連速度及經由光纖217進入及退出多核光子材料中介層交換器500之1.2太位元/秒傳遞之一1.2太位元交換器。
圖5B係圖解說明根據本發明之一實施例具有一交換器核心及光電晶粒之例示性光子材料中介層及電子材料中介層之一圖解。參見圖5B，展示一交換器核心總成520，其包含PCB/基板201、矽光子材料中介層203、電子晶粒205、光I/O 211、光纖217及光源光纖507。亦展示焊料凸塊521、電子驅動器晶粒523及一電子材料中介層525。
電子材料中介層523可包含用於將一標準ASIC晶片電耦合至矽光子材料中介層203中之光子電路及光電驅動器523之一中介層。此可使得一標準晶片能夠與一光子總成整合在一起而無需電子晶粒205中之任何I/O修改。因此，未必電子晶粒205驅動或接收來自諸如光子材料中介層203中之調變器或光電二極體之光電裝置之信號。此等功能可整合於光電驅動器晶粒523中，從而實現在電子晶粒205中利用一標準電介面方面的完全靈活性。
焊料凸塊521可包含用於將電子材料中介層525電耦合且實體耦合至PCB/基板201之球形金屬觸點。
圖5C係圖解說明根據本發明之一實施例具有一交換器核心及光電晶粒之一例示性光子材料中介層之一圖解。參見圖5C，展示一交換器核心總成540，其包含PCB/基板201、矽光子材料中介層203、電子晶粒205、光I/O 211、光纖217、光源光纖507、焊料凸塊521及光電驅動器晶粒523。
在一例示性場景中，矽光子材料中介層203可將一標準ASIC晶片電耦合至光子光電驅動器晶粒523，從而將圖5B之電子材料中介層525之功能實質組合至圖5C矽光子材料中介層203中。此可使得一標準晶片能夠與一光子總成整合在一起而無需電子晶粒205中之任何I/O修改。因此，未必電子晶粒205直接驅動或接收來自諸如電子材料中介層203中之調變器或光電二極體之光電裝置之信號。此等功能可整合於光電驅動器晶粒523中，從而實現在電子晶粒205中利用一標準電介面方面的完全靈活性。
圖6係圖解說明根據本發明之一實施例具有一單個交換器核心之一例示性光子材料中介層之一圖解。參見圖6，展示一單核光子材料中介層交換器600，其包含PCB/基板201、矽光子材料中介層203、電子晶粒205、光I/O 211、光纖217、TSV 309及光源507。
在一例示性場景中，該單個電子晶粒205可包含一路由器、交換器及/或用於處理電信號之處理器核心，且可經由該晶片之背側散熱。單核光子材料中介層交換器600可自光源光纖507接收一CW光信號。產生於電子晶粒205中之電信號可用於驅動矽光子材料中介層203中之一或多個調變器。該一或多個調變器可產生用於將資料傳遞遍及矽光子材料中介層203之一數位光信號，其中該等信號經由光纖217自單核光子材料中介層交換器600傳遞出或傳遞至電子晶粒205之其他部分。
藉由整合矽光子材料中介層203中之所有光子裝置與電子晶粒205中之所有電子裝置，該等裝置可在專用CMOS製程中獨立最佳化。以此方式，CMOS中介層203可獨立於電子晶粒技術節點針對最佳光子效能來組態。類似地，藉由經由矽光子材料中介層203光學傳遞信號，不存在對用於傳遞電子信號之受控阻抗線的需要。另外，藉由在混合時組態位於相關聯光子裝置正上方之驅動電路，可顯著提高 速度效能及功率效率。
圖7係圖解說明根據本發明之一實施例具有多核互連及波導之一光子材料中介層之一圖解。參見圖7，展示一多核中介層700，其包含PCB/基板201、CMOS光子材料中介層203、電子晶粒205、銅柱207、光I/O 211、光纖217、光波導311及光源507。
圖7展示矽光子材料中介層203及電子晶粒205之一透明圖以圖解說明波導311及銅柱207。舉例而言，若干組光波導311展示為將光I/O 211耦合至矽光子材料中介層203之特定區，以使得電信號然後可傳遞至/自彼等區中之電子晶粒205。類似地，光波導311將光源507耦合至矽光子材料中介層203之區以便隨後由位於電子晶粒205中相關聯電路下方之調變器調變，從而使該光源信號分佈遍及CMOS光學材料中介層203以便在諸如由(舉例而言)光電二極體轉換至電信號時由電子晶粒205中之每一者使用。
銅柱207可配置於電子晶粒205之周邊周圍及/或中心位於該晶粒上，如圖7中所示。類似地，TSV可放置遍及該矽光子材料中介層以提供電子晶粒205及PCB/基板201中之裝置之間的電接觸。因此，TSV整合於銅柱207中之某些銅柱下方。
由於單模光學通信之極高頻寬能力，多核中介層700可能能夠以超過1太位元每秒通信。舉例而言，利用具有<20fF電容之~20微米銅柱，可達到50GHz及更高之速度。因此，藉由將複數個信號整合於波導311及隨後光纖217中，達成太位元速度。
圖8係圖解說明根據本發明之一實施例具有多核互連及波導之一光子材料中介層之一圖解。參見圖8，展示PCB/基板201、矽光子材料中介層203、電子晶粒205、光I/O 211、光纖217、光電偵測器305、調變器307及一光源507。
光電偵測器305及調變器307可在矽光子材料中介層203中組織成 對以在光I/O 211處提供一雙向通信，以使得來自光纖217之傳入光信號可由光電偵測器305中之一或多者轉換至電信號以經由一銅柱傳遞至電子晶粒205。類似地，電信號可自電子晶粒205傳遞至矽光子材料中介層203中之一或多個調變器307以轉換至可經由光波導傳遞至光I/O 211並隨後傳遞出光纖217中之一或多者之一光信號。
另外，來自光源507之一CW光信號可經由一或多個光柵耦合器傳遞至矽光子材料中介層203中且分佈遍及該中介層以便隨後由受電子晶粒205中之電子電路驅動之調變器307處理。
在本發明之一實施例中，揭示一種用於一光子材料中介層之方法及系統。就此而言，本發明之態樣可包含在一矽光子材料中介層203中自處於矽光子材料中介層203外部之一光源209、507接收一或多個連續波(CW)光信號101。所接收CW光信號101可基於接收自該一或多個CMOS電子晶粒205之電信號來處理。經調變光信號(光信號輸入)可自耦合至矽光子材料中介層203之一或多個光纖217接收於矽光子材料中介層203中。
電信號可基於所接收經調變光信號(光信號輸入)產生於矽光子材料中介層203中。所產生電信號可傳遞至該一或多個CMOS電子晶粒205。所產生電信號可經由銅柱207傳遞至該一或多個CMOS電子晶粒205。該一或多個CW光信號可自耦合至該矽光子材料中介層之一光源總成接收於該光子材料中介層中。該一或多個光CW光信號101可接收自耦合至矽光子材料中介層203之一或多個光纖217。
該一或多個所接收CW光信號101可利用該矽光子材料中介層中之一或多個光調變器105A至105B、307來處理。該一或多個光調變器105A至105D、307可包含(舉例而言)馬赫-澤德干涉儀調變器。電信號可利用整合於矽光子材料中介層203中之一或多個光電偵測器111A至111D、305產生於矽光子材料中介層203中。光信號可利用光柵耦合 器117A至117H、301、303傳遞至矽光子材料中介層203中(光信號輸入)及/或以外(光信號輸出)。該一或多個電子晶粒205可包含一處理器核心、一交換器核心或路由器中之一或多者。整合型光通信系統100包含複數個收發器105/112/117/107/111(A至F)。
雖然已參考某些實施例闡述了本發明，但熟習此項技術者應瞭解，可作各種改變且可替換等效形式，而此並不背離本發明之範疇。另外，可作諸多修改以使一特定情形或材料適應本發明之教示，而此並不背離本發明之範疇。因此，旨在本發明不僅限於所揭示之特定實施例，而是本發明將包括歸屬於隨附申請專利範圍之範疇之所有實施例。
201‧‧‧印刷電路板/基板
203‧‧‧矽光子材料中介層
205‧‧‧電子晶粒
211‧‧‧光輸入/輸出
217‧‧‧光纖
309‧‧‧穿矽導通體
500‧‧‧多核光子材料中介層交換器
507‧‧‧光源

Claims (20)

  1. 一種用於通信(communication)之方法，該方法包含：在包含耦合至一矽光子材料中介層(silicon photonic interposer)之一第一表面之一或多個互補金屬氧化物半導體(CMOS)電子晶粒及耦合至該矽光子材料中介層的該第一表面對面之一第二表面之一基板之一整合型光通信(integrated optical communication)系統中：在該矽光子材料中介層中自處於該矽光子材料中介層外部之一光源(optical source)接收一或多個連續波(CW)光信號；基於接收自該一或多個CMOS電子晶粒之電信號來處理所接收的該一或多個CW光信號；自耦合至該矽光子材料中介層的一或多個光纖在該矽光子材料中介層中接收經調變光信號；基於所接收的該等經調變光信號在該矽光子材料中介層中產生電信號；及將所產生的該等電信號通信至(communicating to)該一或多個CMOS電子晶粒。
  2. 如請求項1之方法，其包含經由銅柱(pillars)將所產生的該等電信號通信至該一或多個CMOS電子晶粒。
  3. 如請求項1之方法，其包含在該矽光子材料中介層中自耦合至該矽光子材料中介層的一光源總成(optical source assembly)接收該一或多個CW光信號。
  4. 如請求項1之方法，其包含自耦合至該矽光子材料中介層的一或多個光纖接收該一或多個CW光信號。
  5. 如請求項1之方法，其包含利用在該矽光子材料中介層中的一或 多個光調變器(modulator)處理所接收的該一或多個CW光信號。
  6. 如請求項5之方法，其中該一或多個光調變器包含馬赫-澤德干涉儀(Mach-Zehnder interferometer)調變器。
  7. 如請求項1之方法，其包含利用整合於該矽光子材料中介層中的一或多個光偵測器(photodetectors)在該矽光子材料中介層中產生該等電信號。
  8. 如請求項1之方法，其包含利用光柵(grating)耦合器將光信號通信進入及/或通信出該矽光子材料中介層。
  9. 如請求項1之方法，其中該一或多個電子晶粒包含下列一或多者：一處理器核心(core)、一交換器(switch)核心、或路由器。
  10. 如請求項1之方法，其中該整合型光通信系統包含複數個收發器(transceivers)。
  11. 一種通信系統，該系統包含：一混合整合型光通信系統，其包含耦合至一矽光子材料中介層之一第一表面之一或多個互補金屬氧化物半導體(CMOS)電子晶粒及耦合至該矽光子材料中介層的該第一表面對面之一第二表面之一基板，該整合型光通信系統可操作以：在該矽光子材料中介層中自處於該矽光子材料中介層外部之一光源接收一或多個連續波(CW)光信號；基於接收自該一或多個CMOS電子晶粒之電信號來處理所接收的該一或多個CW光信號；自耦合至該矽光子材料中介層的一或多個光纖在該矽光子材料中介層中接收經調變的光信號；基於所接收的該等經調變光信號在該矽光子材料中介層中產生電信號；及將經產生的該等電信號通信至該一或多個CMOS電子晶粒。
  12. 如請求項11之系統，其中該混合整合型光通信系統可操作以經由銅柱將該等經產生的電信號通信至該一或多個CMOS電子晶粒。
  13. 如請求項11之系統，其中該混合整合型光通信系統可操作以在該矽光子材料中介層中自耦合至該矽光子材料中介層之一光源總成接收該一或多個CW光信號。
  14. 如請求項11之系統，其中該混合整合型光通信系統可操作以自耦合至該矽光子材料中介層之一或多個光纖接收該一或多個CW光信號。
  15. 如請求項11之系統，其中該混合整合型光通信系統可操作以利用該矽光子材料中介層中之一或多個光調變器來處理所接收的該一或多個CW光信號。
  16. 如請求項15之系統，其中該一或多個光調變器包含馬赫-澤德干涉儀調變器。
  17. 如請求項11之系統，其中該混合整合型光通信系統可操作以利用整合於該矽光子材料中介層中的一或多個光偵測器在該矽光子材料中介層中產生該等電信號。
  18. 如請求項11之系統，其中該混合整合型光通信系統可操作以利用光柵(grating)耦合器將光信號通信進入及/或通信出該矽光子材料中介層。
  19. 如請求項11之系統，其中該一或多個電子晶粒包含下列一或多者：一處理器核心、一交換器核心、或路由器。
  20. 一種用於通信之系統，該系統包含：一整合型光通信系統，其包含耦合至一矽光子材料中介層之一第一表面之一或多個互補金屬氧化物半導體(CMOS)電子晶粒及耦合至該矽光子材料中介層的該第一表面對面之一第二表面 之一基板，該整合型光通信系統可操作以：在該光子晶粒中經由一或多個光纖自耦合至該矽光子材料中介層之一光源接收一或多個連續波(CW)光信號；基於接收自該一或多個CMOS電子晶粒之電信號來處理所接收的該一或多個CW光信號；自耦合至該矽光子材料中介層的一或多個光纖在該矽光子材料中介層中接收經調變的光信號；基於所接收的該等經調變的光信號在該矽光子材料中介層中產生電信號；及將經產生的該等電信號通信至該一或多個CMOS電子晶粒。
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