광전자 집적 방법

광전자통합 방법

의 통합광자공학전자 기술은 정보 처리 시스템의 성능을 향상시키고, 더 빠른 데이터 전송 속도, 더 낮은 전력 소비, 더 작은 장치 설계를 가능하게 하며, 시스템 설계에 새로운 기회를 열어주는 핵심 단계입니다. 집적 방식은 일반적으로 모노리식 집적(monolithic integration)과 멀티칩 집적(multi-chip integration)의 두 가지 범주로 나뉩니다.

모놀리식 통합
모놀리식 집적은 일반적으로 호환되는 소재와 공정을 사용하여 동일한 기판 위에 광자 및 전자 부품을 제조하는 방식입니다. 이 방식은 단일 칩 내에서 빛과 전기 사이의 완벽한 인터페이스를 구축하는 데 중점을 둡니다.
장점:
1. 상호 연결 손실 감소: 광자와 전자 부품을 가까이 배치하면 칩 외부 연결과 관련된 신호 손실이 최소화됩니다.
2. 향상된 성능: 더욱 긴밀한 통합으로 신호 경로가 짧아지고 지연 시간이 줄어들어 데이터 전송 속도가 빨라질 수 있습니다.
3. 더 작은 크기: 모놀리식 통합을 통해 매우 컴팩트한 장치를 만들 수 있어 데이터 센터나 핸드헬드 장치와 같이 공간이 제한적인 애플리케이션에 특히 유용합니다.
4. 전력 소모 감소: 별도의 패키지와 장거리 상호연결이 필요 없어져 전력 요구 사항을 크게 줄일 수 있습니다.
도전:
1) 재료 호환성: 고품질 전자와 광자 기능을 모두 지원하는 재료를 찾는 것은 어려울 수 있습니다. 왜냐하면 이러한 재료가 종종 서로 다른 속성을 요구하기 때문입니다.
2. 공정 호환성: 어느 하나의 구성 요소의 성능을 저하시키지 않고 전자 장치와 광자의 다양한 제조 공정을 동일한 기판에 통합하는 것은 복잡한 작업입니다.
4. 복잡한 제조: 전자 및 광자 구조에 필요한 높은 정밀도는 제조의 복잡성과 비용을 증가시킵니다.

멀티칩 통합
이 접근 방식은 각 기능에 맞는 재료와 공정을 선택하는 데 더 큰 유연성을 제공합니다. 이러한 통합 과정에서 전자 및 광자 부품은 서로 다른 공정을 거쳐 조립되어 공통 패키지 또는 기판에 배치됩니다(그림 1). 이제 광전자 칩 간의 본딩 모드를 나열해 보겠습니다. 직접 본딩: 이 기술은 일반적으로 분자 결합력, 열, 그리고 압력에 의해 촉진되는 두 평면 표면을 직접 물리적으로 접촉시키고 본딩하는 방식입니다. 이 기술은 단순성과 매우 낮은 손실률의 연결이라는 장점이 있지만, 정밀하게 정렬되고 깨끗한 표면이 필요합니다. 광섬유/격자 결합: 이 방식에서는 광섬유 또는 광섬유 어레이가 광자 칩의 가장자리 또는 표면에 정렬되고 본딩되어 칩 안팎으로 빛이 결합됩니다. 격자는 수직 결합에도 사용되어 광자 칩과 외부 광섬유 사이의 빛 전달 효율을 향상시킵니다. 실리콘 관통 홀(TSV) 및 마이크로 범프: 실리콘 관통 홀은 실리콘 기판을 통과하는 수직 상호 연결로, 칩을 3차원으로 적층할 수 있도록 합니다. 미세 볼록점과 결합되어 전자 칩과 광자 칩을 적층 구조로 전기적으로 연결하여 고밀도 집적에 적합합니다. 광 중간층: 광 중간층은 칩 간 광 신호 전달을 위한 중개 역할을 하는 광 도파로를 포함하는 별도의 기판입니다. 정밀한 정렬과 추가적인 수동 소자(passive device)를 가능하게 합니다.광학 부품연결 유연성 향상을 위해 통합될 수 있습니다. 하이브리드 본딩: 이 첨단 본딩 기술은 직접 본딩과 마이크로 범프 기술을 결합하여 칩과 고품질 광 인터페이스 간의 고밀도 전기적 연결을 구현합니다. 특히 고성능 광전자 공동 집적에 유망합니다. 솔더 범프 본딩: 플립칩 본딩과 유사하게 솔더 범프는 전기적 연결을 생성하는 데 사용됩니다. 그러나 광전자 집적의 맥락에서는 열 응력으로 인한 광자 부품 손상을 방지하고 광학 정렬을 유지하는 데 특별한 주의를 기울여야 합니다.

그림 1: 전자/광자 칩 간 본딩 방식

이러한 접근 방식의 이점은 상당합니다. CMOS 세계가 무어의 법칙의 발전을 지속적으로 따라감에 따라, 각 세대의 CMOS 또는 Bi-CMOS를 저렴한 실리콘 광자 칩에 신속하게 적용하여 광자학 및 전자공학 분야의 최고 공정의 이점을 누릴 수 있게 될 것입니다. 광자학은 일반적으로 매우 작은 구조(일반적으로 약 100나노미터의 키 크기)를 제작할 필요가 없고, 소자의 크기가 트랜지스터에 비해 크기 때문에, 경제적 측면을 고려하여 광자 소자는 최종 제품에 필요한 첨단 전자 장치와 분리된 별도의 공정으로 제조되는 경향이 있습니다.
장점:
1. 유연성: 다양한 소재와 공정을 독립적으로 사용하여 전자 및 광자 부품의 최상의 성능을 달성할 수 있습니다.
2. 공정 성숙도: 각 구성품에 대해 성숙한 제조 공정을 사용하면 생산을 단순화하고 비용을 절감할 수 있습니다.
3. 업그레이드 및 유지관리가 더 쉬워졌습니다. 구성 요소를 분리하면 전체 시스템에 영향을 주지 않고 개별 구성 요소를 더 쉽게 교체하거나 업그레이드할 수 있습니다.
도전:
1. 상호 연결 손실: 칩 외부 연결은 추가적인 신호 손실을 초래하고 복잡한 정렬 절차가 필요할 수 있습니다.
2. 복잡성과 크기 증가: 개별 구성 요소에는 추가 패키징과 상호 연결이 필요하므로 크기가 커지고 비용이 더 많이 들 수 있습니다.
3. 높은 전력 소비: 신호 경로가 길어지고 패키징이 추가되면 모노리식 통합에 비해 전력 요구 사항이 높아질 수 있습니다.
결론:
모놀리식 집적 방식과 멀티칩 집적 방식 중 어떤 방식을 선택할지는 성능 목표, 크기 제약, 비용 고려 사항, 기술 성숙도 등 애플리케이션별 요구 사항에 따라 달라집니다. 제조 복잡성에도 불구하고, 모놀리식 집적 방식은 극도의 소형화, 저전력 소모, 고속 데이터 전송이 필요한 애플리케이션에 유리합니다. 반면, 멀티칩 집적 방식은 설계 유연성이 뛰어나고 기존 제조 역량을 활용하기 때문에, 이러한 요소들이 집적도 향상의 이점보다 더 중요한 애플리케이션에 적합합니다. 연구가 진행됨에 따라, 두 전략의 요소를 결합한 하이브리드 방식 또한 각 접근 방식과 관련된 과제를 완화하면서 시스템 성능을 최적화하기 위해 연구되고 있습니다.