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GlobalFoundry的300mm硅光子工藝平臺

摘要:這篇筆記主要參考GlobalFoudry(以下簡稱GF)最近發表的文章"300mm Monolithic Silicon Photonics Foundry Technology"

  這篇筆記主要參考GlobalFoudry(以下簡稱GF)最近發表的文章"300mm Monolithic Silicon Photonics Foundry Technology",介紹下GF的硅光子工藝平臺。

  GF采用90nm的CMOS工藝,不僅提供了光學元件的PDK,而且提供了用于模擬/數字控制電路的電學元件。光學元件主要有:Si波導、SiN波導、Mach-Zehnder調制器、Ge探測器、端面耦合器、偏振轉換器件、熱相移器和用于CWDM4的波分復用器。Mux/DeMux是GF的特色之一,其他Foundry都沒有提供類似的PDK。電學元件包括:RF無源器件、ESD保護電路、e-fuse嵌入式存儲器、標準的CMOS元件。

  下圖是GF硅光制程的截面圖,

(圖片來自文獻2)

  GF的SOI厚度是170nm, 而不是傳統的220nm。金屬有7層,6層為Cu, 1層為Al。而一般的硅光工藝為2/3層Cu。GF還提供了V-groove的制程,用于端面耦合器處光纖的放置。

  GF采用浸沒式光刻的方法制備波導,他們對比了干法刻蝕和浸沒式光刻對波導參數的影響

(表格來自文獻1)

  從上表中可以看出,采用浸沒式光刻,波導寬度的刻蝕誤差更小,側壁粗糙度也更小。O波段下,350nm寬度波導的傳播損耗約為1.5dB/cm, 810nm寬度波導的傳播損耗約為0.5dB/cm。SiN波導的傳輸損耗為0.3dB/cm。

  對于彎曲波導,GF采用了OPC(opitcal proximity correction)的方法, 將彎曲波導轉變成一段段臺階相連的多邊形,如下圖所示,其目的是光刻時得到平滑的彎曲波導圖案。但是GF并沒有提供采用OPC方法后的彎曲波導損耗,小豆芽對這一點存疑。

(圖片來自文獻1)

  GF提供了Mach-Zehnder型調制器的PDK, 采用travelling wave電極,可以實現14GHz/20GHz的調制速率,V_pi*L約為1.54V.cm。調制器結構如下圖所示,

(圖片來自文獻2)

  采用750℃的Ge生長工藝,GF的鍺探測器暗電流為35-70nA, 響應率為1A/W, 3dB帶寬約為40GHz。

(圖片來自文獻2)

  GF的端面耦合器采用的是IBM的方案(參看IBM的硅光封裝方案),如下圖所示。1310nm時TE模的耦合效率為0.7dB, TM模的耦合效率為1.4dB。

(圖片來自文獻1)

  GF的偏振分束旋轉(PSR)器件, 如下圖所示。TM模的插損約為1dB, 工作帶寬為60nm,TE/TM的消光比約為27dB。

(圖片來自文獻1)

  GF的Mux/DeMux采用級聯MZI的方案,并且借助于熱相移器的調控,串擾小于25dB, 單通道的插損為2.5dB。使用熱相移器,可以調控每個通道的中心波長,波長可變化+/- 3nm。

(圖片來自文獻1)

  GF的熱相移器為undercut型熱相移器,采用V-groove類似的工藝刻蝕掉硅襯底,用于提高相移器的調制效率。最終的P_pi約為2.81mW。

(圖片來自文獻1)

  關于CMOS元件,GF并沒有詳細介紹相應的元器件,只是對比了GF不同工藝下TIA的性能,如下圖所示。硅光工藝下的TIA可支持36Gb/s的接收速率。

(圖片來自文獻1)

  對于每個元器件,GF提供的PDK并不都是最優的。但是它提供了詳實的數據,給出了同一wafer不同die上器件的統計數據,這一點對于產品的yield分析非常重要。一般而言,wafer中間的器件性能相對較好。GF提供了單片集成Driver和TIA的可能。此外GF還提供了Mux/DeMux的PDK, 這也是其特色之一。GF下一步將推出45nm的硅光工藝。

  (圖片來自文獻2)

  目前提供硅光工藝的IC fab, 主要有TSMC、GlobalFoundry和SilTerra。希望在這些芯片加工大廠的推動下,硅光工藝有較快的發展,器件性能也相應地提高。

  文章中如果有任何錯誤和不嚴謹之處,還望大家不吝指出,歡迎大家留言討論。

  參考文獻:

  K. Giewont, et.al., "300mm Monolithic Silicon Photonics Foundry Technology "

  GLOBALFOUNDRIES Silicon Photonics Platform

內容來自:光學小豆芽
本文地址:http://www.cpllaw.tw//Site/CN/News/2019/05/05/20190505065615258145.htm 轉載請保留文章出處
關鍵字: 硅光
文章標題:GlobalFoundry的300mm硅光子工藝平臺
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