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台积电的先进硅基光电子技术平台

引言

随着大规模数据中心、片上系统和高性能计算系统的数据流量呈指数级增长，现代计算基础设施面临着巨大挑战。当传统的铜基电互连达到技术瓶颈时，硅基光电子正展现出优越的可扩展性、传输带宽、能源效率和低误码率等特点[1]。

图1：展示(a) COUPE集成方案和(b)光电子集成芯片架构的示意横截面图，包含各种有源和无源光电子器件，体现了全面的集成方案。

平台架构与集成

台积电开发了采用300毫米晶圆代工技术的先进光电引擎平台，结合了最先进的制程能力。该平台集成了光电子集成芯片（使用N65及更先进制程）和电子集成芯片（使用N7及更先进技术）的特性。在这个平台中，紧凑型通用光电引擎（COUPE）集成方案是关键创新。

在COUPE架构中，垂直O波段光栅耦合器与嵌入式超透镜集成，实现了光电子集成芯片光纤阵列单元仅0.3dB的极低耦合损耗。当与外部光纤耦合时，系统保持±10μm的对准容差。该平台通过片上系统集成（SoIC）键合实现光电子集成芯片和电子集成芯片的集成，减少了铜导线引起的功率损耗和信号衰减。

图2：扫描电子显微镜图像显示(a) SPGC结构，(b)微环调制器设计，(c)微环调制器的耦合间隙细节，以及(d)双微环谐振器配置，突显了器件制造的精确性。

先进制程技术与控制

该平台在300毫米硅绝缘体晶圆上使用先进CMOS制程技术。关键的光电子集成芯片层和结构采用先进光刻和刻蚀技术定义，通过光学邻近校正算法补偿制程变化。制造过程实现了晶圆内和晶圆间关键尺寸变化控制在2纳米（3σ）以内的精确控制。

图3：展示台积电持续回路在线/EWAT/OWAT测量流程、射频设置照片和指标趋势图示例，显示了全面的质量控制措施。

器件库与性能

该平台包含了完整的O波段光电子器件库，具有参数化单元和相应的覆盖25-105°C温度范围的S参数模型。器件库包括无源和有源器件，为设计人员提供精确的光操控能力。

图4：全面展示PDK模型器件库，显示各种硅/氮化硅平台组件，包括无源和有源器件。

硅基无源器件展现出优异的性能指标，单模和多模脊型波导的传输损耗分别低至0.67 dB/cm和0.20 dB/cm。该平台还集成了氮化硅组件，提供宽带宽、最小温度依赖性和高功率容忍度。

图5：无源器件性能结果，显示(a) MMI拓扑优化，(b) SPGC最佳点优化，(c)测量的SPGC光谱，以及(d) TE/TM PSGC结果。

平台的有源器件包括先进的微环调制器和锗光电探测器。微环调制器展现出0.35Vπ-cm的优异调制效率，同时保持高速运行能力。

图6：微环调制器性能特征，显示(a)不同反向偏置电压下的光谱和(b)低功率激光条件下的S21结果。

锗光电探测器在5mW输入功率下实现接近1A/W的响应度，在-1.5V时暗电流低至4.5nA。这些器件展现出高带宽能力，在200μA光电流下达到110GHz。

图7：光电探测器性能指标，显示(a)响应度和光电流结果，(b)暗电流特性，以及(c)S21频率响应。

图8：展示(a)16通道DWDM系统无加热器补偿的传输光谱和(b)通过集成加热器加热DMRR的示意图。

结论

台积电的先进硅基光电子平台在满足数据通信技术不断增长的需求方面取得了重大进展。通过精心集成先进制程能力、自动化测试协议和全面的制程控制，该平台为下一代光电子应用提供了坚实基础。无源和有源器件展现的性能指标显示了该平台在未来数据通信技术和发展中的重要作用。

参考文献

[1] S. K. Yeh, C. T. Shih, F. Yuan, C. M. Hung, C. H. Chu, H. Y. Lu, J. H. Yang, W. S. Lo, C. H. Chen, S. Y. Tsai, W. C. Tai, S. C. Liu, S. D. Wang, K. Q. Wen, W. C. Wang, C. C. Tung, B. T. Lin, F. Hu, P. C. Yeh, C. H. Huang, T. H. Wu, C. C. Chu, W. C. Kuo, C. Y. Tsai, S. W. Chang, E. C. Chen, C. W. Chiang, Y. M. Wang, F. C. Huang, S. M. Wu, J. Y. Lin, C. T. Tang, W. K. Liu, T. L. Hsieh, W. J. Mao, W. T. Lo, C. Y. Peng, S. H. Su, F. Tsui, N. Shi, V. Shih, and S. F. Huang, "Silicon Photonics Platform for Next Generation Data Communication Technologies," in Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Hsinchu, Taiwan, 2024.