关键突破：光路和电路混合集成芯片新工艺

[据美国麻省理工学院网站2018年4月19日报道]两年半以前，由美国麻省理工学院、加州大学伯克利分校和波士顿大学牵头的一个研究小组取得了关键突破：在单块芯片上利用现有制造工艺同时集成电子器件和光子器件，研制出可以实际工作的微处理器。

所采用的方法，是在芯片的硅材料层中同时制备电子器件与光子器件。这意味着，需要借助一种已经久远的技术。这种技术所采用的硅材料厚度足够，能够满足制造光器件的要求。

然而，根据最近一期的《自然》杂志，该研究小组取得了另一突破：实现了在单块芯片上分别集成光子器件和电子器件，同时能够利用更现代的CMOS晶体管技术。该成果可以利用现有的半导体制造工艺。

该成果的优点在于，可以独立对光路进行优化。硅基电子技术多种多样，如果能够向电路中添加光路，未来通信与计算芯片性能将更加强大。例如，微处理器制造商英特尔公司，或图像处理器制造商英伟达公司，如果无需太多调整就能在芯片上添加光路，芯片的性能无疑将爆发式增长。

从电通信向光通信转变，能够推动芯片处理速度大幅提升并降低芯片功耗。随着芯片上晶体管的数量持续增长，光通信的优点将越来越突出。“美国半导体产业协会”估计，如不加以应对，按照目前计算系统耗电量的增长速度，2040年全球计算系统所需的电量将超过全球发电能力。

光学器件或光子器件，和电子器件在同一芯片上集成，能够大幅降低耗电功率。光通信器件目前已经在售，但是现有光器件消耗的能量过多，难以应用到微处理器等电子芯片中去。将数字化信息转换成光信号的商业调制器芯片，其耗电功率是新芯片的10倍～100倍。

新芯片也能比旧芯片节省10～20倍的片上空间。因为，在同一芯片上集成电路和光路，能够采用更有空间效率的设计方法。

研究人员还研制了光路和电路的混合架构，这在无法集成电路部分的情况下则无法实现。例如，市场上没有采用光谐振器的商业化光收发器，因为长期以来无法在同一芯片上实现电路和光路混合集成，利用电路对光谐振器进行稳定和控制。

新的光电芯片除了计算功能部分包含的数百万的晶体管，还集成了调制器、波导、谐振器（用于将携载不同数据的各种波长的光分开）等光通信器件。

硅材料是现代计算机芯片的基础。光器件则需要在二氧化硅（玻璃）上制造。利用硅材料和二氧化硅两种材料折射率的不同，可以将光限制在硅光器件内。

早期的集成光路技术，需要采用芯片键合工艺，即在单块芯片上，通过熔融方式将硅晶片与带有二氧化硅淀积层的晶片结合。新突破则支持在硅晶片上直接淀积各种厚度的二氧化硅，再在二氧化硅上淀积由多种微小晶粒构成的多晶硅材料。

单晶硅具有确定的电效率和光效率，但多晶硅可以在电效率和光效率之间进行权衡调整。晶粒大的多晶硅材料对电流传导效率高，但导光性差；晶粒小的多晶硅对光散射小，但导电性差。

该研究利用了纽约州立大学阿尔巴尼分校的纳米级科学和工程制造设施。研究人员试验了多种多晶硅材料、硅材料的不同利用方式、各种加工温度和时间，最终找到了在电子和光子性能之间能够做出较好权衡的一组参数。