LES COMPOSANTS OPTOÉLECTRONIQUES J Microphotonique

LES COMPOSANTS OPTOÉLECTRONIQUES
J
Microphotonique silicium
pour connexions rapides
sur circuit intégré
Mots clés
Optique guidée,
Interconnexion,
Distribution
d'horloge.
Par J.-M. Fedeli', S. Laval**
. Chef de projet au CEA-LETI
** Directeur de Recherches CNRS à l'institut d'Électronique Fondamentale
Dans un futur proche, les circuits intégrés vont être limités dans leur
capacité à distribuer à grande vitesse les informations entre blocs qui
les composent. L'introduction de la distribution photonique de
l'information sur ces liens globaux est susceptible d'améliorer
le synchronisme dans la distribution d'un signal d'horloge,
tout en réduisant la puissance consommée, et de permettre
l'augmentation des débits.
1. Introduction
Le déploiement mondial des télécommunications
optiques à longues distances et à hauts débits a été un des
faits majeurs des deux dernières décennies. Histori-
quement, les solutions optiques se sont imposées par
rapport aux solutions électriques lorsque les pertes essen-
tiellement liées à la résistivité du cuivre et à l'augmentation
des débits de transmission sont devenues trop élevées.
Actuellement, les communications optiques résolvent la
. En microélectronique, les interconnexions électriques à
l'intérieur du circuit intégré constitueront un des goulots
d'étranglement dans l'augmentation des performances des
circuits intégrés du fait de la diminution des dimensions
transversales des liens électriques et de l'augmentation des
fréquences de fonctionnement.
. L'introduction de la distribution photonique de l'information
sur les liens globaux est susceptible d'améliorer le
synchronisme de la distribution d'information tout en
réduisant la puissance consommée, et aussi de relâcher les
contraintes de conception sur les niveaux les plus élevés de
métallisation (distribution d'horloge par exemple)
. L'architecture du système de connexion optique se compose
d'un ou de plusieurs émetteurs intégrés de lumière dans le
proche infrarouge couplés à un ensemble de guides optiques
intégrés qui réalisent une distribution optique. À l'extrémité de
ces guides, un ensemble de photodétecteurs intégrés sur
substrat silicium délivre électriquement le résultat de la
fonction optique.
plupart des problèmes liés aux goulots d'étranglement des
interconnexions et des limitations en vitesse de l'électro-
nique, en offrant une très grande bande passante, une
grande immunité au bruit, une réduction de la puissance
dissipée et de la diaphonie.
En parallèle, la technologie de la microélectronique
s'est développée à un rythme exponentiel au cours de ces
quarante dernières années. Cela s'est traduit par une minia-
turisation du transistor élémentaire et par une intégration
de plus en plus poussée de systèmes électroniques
SYNOPSIS
. Electrical connections inside VLSI chip will become one of
the bottlenecks for the increase in performances. This is due
to the shrinking of lateral dimensions of electrical links
concomitantto operation frequency rise.
. Optical distribution of data on global links may improve the
synchronism of the delivery while reducing the required
power, as well as freeing the routings on the higher metallic
layers (data clock delivery for instance)
. An optical connecting system is architectured using basic
blocks operating in the near infrared. Integrated light emitters
are coupled to silicon optical wave guides which constitutes
an optical distribution. At the end of these waveguides,
photodetectors transform the optical function results in
electrical signals which are processed by the underlying
integrated circuit.
1
REE
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complexes. Les circuits ont alors augmenté de taille et la
complexité de transmission des données s'est traduite par
l'introduction de connexions multi-niveaux au sein des
circuits. Le problème de pertes dues aux connexions a
longtemps été négligeable, mais il commence à devenir
crucial au fur et à mesure de la diminution des dimensions
transversales des liens électriques et de l'augmentation des
fréquences de fonctionnement. Une des alternatives aux
liaisons électriques dites globales au sein des puces
silicium est de recourir à l'optoélectronique sur silicium
afin de diminuer la latence et la puissance consommée lors
de la transmission de données. Dans une vision plus
futuriste, l'application des techniques de routage multi-
fréquentiel utilisées dans les télécommunications optiques
pourrait augmenter les débits internes à l'intérieur des
puces.
2. Les limitations de vitesse
des circuits intégrés
Selon les prévisions de l'ITRS (International
Technology Roadmap for Semiconductors), à l'horizon
2005, les circuits intégrés (CI) de dimensions sub-O,l pm
devraient comprendre des centaines de millions de
transistors et travailler à des fréquences d'horloge de
plusieurs GHz. Les interconnexions électriques intra-chip
ou inter-chip (pour les « multi-chip modules » ou MCM)
constitueront l'un des goulots d'étranglement dans la
poursuite du progrès des performances des CI. Les limita-
tions apportées par les interconnexions métalliques sur
puce ont pour origine d'une part la diminution des dimen-
sions transversales des interconnexions métalliques, corré-
lative à l'augmentation de la fréquence de fonctionnement
des circuits, et d'autre part l'augmentation de leur densité.
Les liens concernés par ces limitations sont, certes, peu
nombreux (quelques centaines) et spécifiques (il s'agit des
liens dont la longueur est voisine de la dimension du
circuit : horloge, signaux de contrôle, certains bus) ; mais
les solutions mises en oeuvre pour pallier ces limitations
sont onéreuses et concernent à la fois la technologie et les
stratégies de routage des interconnexions ainsi que les
architectures de système. En effet selon le type de circuit
considéré (processeurs « standard » ou les systèmes sur
puces (SoC)), la gestion des flux de données diffère. Par
exemple, les circuits SoC contiennent quelques dizaines de
blocs spécialisés (unités de calcul, mémoires, DSP, inter-
faces vidéo...) dont les échanges sont organisés par l'inter-
médiaire de un ou plusieurs bus dont le routage est figé.
L'accroissement prévisible du nombre de ces blocs
imposera un nouveau procédé de communication reconfi-
gurable.
La diminution des dimensions des liens conduit à une
augmentation de la résistance linéique des pistes métal-
liques plus rapide que la réduction de leur capacité
linéique, et donc, à l'augmentation de la constante de temps
associée au transport du signal. L'augmentation des
fréquences de fonctionnement induit des contraintes
temporelles de transmission qui nécessitent d'équiper les
liens les plus longs de buffers et donc d'augmenter la
puissance dissipée par le circuit. Ainsi, par exemple, la
distribution de l'horloge peut absorber jusqu'à deux tiers
de la puissance consommée par un microprocesseur. Par
ailleurs, l'augmentation relative du temps de retard de la
transmission vis-à-vis de la période de l'horloge conduit au
phénomène de latence, et à celui, sans doute encore plus
pénalisant, de « skew » (c'est-à-dire de la variation du
retard de l'arrivée des signaux sur l'entrée d'une bascule,
en fonction de la position géographique de celle-ci sur le
circuit). Enfin, l'augmentation de la densité des intercon-
nexions métalliques conduit à des phénomènes de
diaphonie.
Les solutions à l'oeuvre pour repousser ces limites dans
les technologies actuelles concernent :
. la technologie de réalisation des intercollnexions : la
diminution de la constante de temps s'est traduite par la
mise en oeuvre des technologies cuivre et de matériaux
à faible constante diélectrique. L'augmentation des
dimensions des couches métalliques superficielles
diminue la résistance des pistes réservées au routage des
liens longs, d'où la solution d'augmenter le nombre de
couches de métallisation (7 à 8 niveaux d'intercon-
nexions métalliques pour les technologies 0, 1 p m). Les
techniques de refroidissement des circuits utilisées
actuellement pour les supercalculateurs, ou l'utilisation
de supraconducteurs, sont difficiles à mettre en oeuvre
dans un cadre non spécifique ;
. la stratégie de conception : les liens longs sont équipés
de répéteurs aux dépens de la consommation et les outils
de conception permettent de déterminer, très tôt dans le
cycle de conception, le temps de retard dû aux inter-
connexions et la diaphonie, de façon à adapter l'archi-
tecture du système.
3. Pourquoi des liens optiques
sur un circuit intégré ?
L'ITRS met en évidence que les solutions technolo-
giques concernant les interconnexions sont actuellement
inconnues pour les technologies sub-65 nm. En parallèle
avec les travaux permettant de repousser les limites prévi-
sibles (utilisation du cuivre et de matériaux à faible
constante diélectrique, nouvelles architectures et nouveaux
designs), des voies technologiques alternatives aux inter-
connexions métalliques classiques sont donc proposées
comme l'intégration 3D, les solutions RF ou les intercon-
nexions optiques.
L'introduction de liaisons optiques sur puce est
envisagée tout d'abord pour des liaisons point à points
(distribution d'horloge et de données bus). Ces liaisons
optiques ne se justifient que pour des liens longs dits
globaux au niveau de la puce (quelques centimètres sur une
puce) pour limiter les conversions électrique-optique-
électrique. L'avantage est de diminuer le « skew » et la
puissance consommée.
Dans un second temps et à l'instar des réseaux de
télécommunications actuels, l'exploitation du multiplexage
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Do,-,sOË LES COMPOSANTS OPTOÉLECTRONIQUES
en longueur d'onde devrait répondre sur les circuits
intégrés à la tendance permanente à l'augmentation du
débit dans les bus ainsi qu'au besoin pressenti pour un
réseau de communication standardisé entre blocs IP. Cette
approche se conçoit comme un objectif à long terme, ne
serait-ce que par les nouvelles architectures potentielles
dont l'étude reste à faire.
La distribution d'horloge est la première démonstration
à réaliser afin de valider l'apport des interconnexions
optiques sur puce pour les liens globaux. Actuellement ils
sont en général routés sur les niveaux supérieurs de métal-
lisation où il est possible d'atteindre des résistances
linéiques plus faibles. Le remplacement de l'arbre de distri-
bution métallique par un réseau optique permettra de
libérer les couches de métallisation supérieures et
d'améliorer ainsi la connectabilité du circuit, de contrôler
parfaitement le synchronisme de l'horloge et d'atténuer la
pollution électromagnétique des noeuds sensibles par
l'horloge : des étapes de conception onéreuses seront ainsi
allégées.
La distribution optique de l'horloge peut se faire sous
la forme d'un arbre en H (voir Fig. 1) constitué d'une
source de lumière délivrant l'horloge aux différents photo-
détecteurs des blocs via des guides optiques composés de
lignes, de courbes, de diviseurs.
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Photodétecteur
de- Source lumineuse
Diviseur
Figure 1. Distribution optique d'horloge.
Quels sont les points caractéristiques de cette approche
technologique dont les composants de base en sont encore
au stade de la recherche ? Elles peuvent se résumer sous
un ensemble d'attraits potentiels, de difficultés et de
contraintes.
. Les contraintes :
- la compatibilité avec les futures technologies CMOS ;
- un surcoût de fabrication acceptable.
. Les attraits potentiels :
- le maintien du synchronisme par la réduction de la
gigue et du « skew » d'où la suppression des circuits
de synchronisation ;
- l'augmentation de la bande passante ;
- l'isolation électrique ;
- la réduction de la puissance consommée ;
- une moindre sensibilité à la température ;
- l'immunité aux bruits électromagnétiques ;
1
- la sortie optique de l'horloge vers d'autres circuits
fonctionnant en synchronisme.
Les difficultés :
- ta réduction des pertes sur les composants optiques
afin de permettre la distribution sur un grand nombre
de photodétecteurs ;
- ta densité des guides optiques sur la puce ;
- l'efficacité de la conversion électro-optique à la fois
sur la source et les photodétecteurs ;
- te fonctionnement des composants actifs dans la
gamme des dizaines de GHz ;
- ta minimisation de la latence sur les drivers et les
récepteurs.
En généralisant l'approche de la distribution d'horloge,
l'architecture du système de connexion optique se compose
d'un ou de plusieurs émetteurs couplés à un ensemble de
guides qui réalisent une fonction optique passive (ou, à
terme, dépendante d'une commande électrique). Ces
guides aboutissent sur un ensemble de photodétecteurs qui
délivrent électriquement le résultat de la fonction optique.
En France cette étude est soutenue par le ministère de
la recherche et les collectivités territoriales dans le cadre
de projets regroupant un consortium de laboratoires :
IEF/CNRS/UPS, LEOM/CNRS/ECL, LPM/CNRS/INSA,
IMEP/CNRS/INPG, CEA-DRFMC, CEA-LETI pour ne
citer que les acteurs principaux. Chaque laboratoire apporte
ses compétences spécifiques afin de développer plusieurs
voies de recherches pour les composants élémentaires.
4. Sources de lumière et modulation
Les types d'émetteurs envisagés sont soit de la famille
111-V reportés par hybridation sur silicium, soit directement
de type silicium.
Le principe utilisé avec les matériaux III-V est basé sur
l'utilisation de micro-dispositifs passifs en optique guidée
sur silicium sur isolant (SOI) et leur couplage vertical avec
des composants optoélectroniques actifs III-V (microlasers
et photodétecteurs résonants) reportés par collage molécu-
laire sur la plaque SOI. On reporte une couche composée
d'une hétérostructure InGaAs/InP qu'il convient de graver
afin de réaliser un confinement. Ce confinement peut se
faire sous forme de microdisques de quelques microns de
diamètre ou par gravure de trous formant ainsi une cavité
à cristaux photoniques. Ce confinement diminue le seuil
des microlasers par augmentation du confinement des
excitons dans la source. En fait, l'émission stimulée est
d'autant plus favorisée que la densité d'états convoluée
exciton-photon est importante dans le mode laser désiré.
Deux types de couches actives émettrices sont à l'étude :
les puits quantiques présentent l'avantage d'une techno-
logie mature tandis que les boîtes quantiques encore au
stade de la recherche, permettront le confinement optimum
des excitons et d'atteindre les seuils les plus bas.
Il faut ensuite coupler cette microcavité laser aux guides
optiques sur SOI (Fig. 2). La source étant positionnée au-
dessus du circuit passif, le transfert de l'onde entre la
source et le circuit aval s'effectue vers un collecteur de
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photons par couplage évanescent (flèche verticale) à
travers une couche de silice. Le signal optique est ensuite
couplé vers des guides d'onde (flèche horizontale sur la
Fig. 2) et est distribué sur la puce par le réseau de guides
optiques.
Une voie plus exploratoire est d'utiliser un émetteur en
silicium dopé (Er, Er-O, P...) confiné par cristaux photo-
niques. L'émission de lumière par un film de silicium est
a priori difficile. Le gap indirect du silicium (ou des
alliages Si,Gel-,) implique la participation de trois parti-
cules : électron, trou et phonon pour l'émission d'un
photon. Ce phénomène est peu probable et les durées de vie
des porteurs sont élevées (de 10-4 à 10-3 secondes). Les
énergies de liaisons des excitons sont faibles et leur disso-
ciation à température ambiante limite l'efficacité des
processus radiatifs. Les meilleurs rendements de lumines-
cence démontrés à ce jour sont de l'ordre du pour cent mais
concernent du Si poreux. Dans le cas du silicium mono-
cristallin, qui est le mieux adapté en terme d'applications
potentielles, il a très récemment été démontré qu'en
confinant des films minces de silicium (ou des alliages
SixGel-x) dans des barrières de matériau à grand gap,
comme la silice, on observait un net renforcement de la
quantité de lumière émise. Ces microstructures peuvent
être envisagées aujourd'hui grâce aux avancées du collage
moléculaire de films minces.
Les débits requis supérieurs à la dizaine de Gbit/s
peuvent rendre impossible la modulation directe au niveau
de l'émetteur. On peut alors envisager l'émission en
continu suivi d'un modulateur rapide commandé par effet
électro-optique. Les effets électro-optiques résultent du
changement des caractéristiques de réfraction d'un
matériau sous l'action d'une tension électrique appliquée.
En raison de la symétrie du réseau cristallin du silicium, la
modification du nombre de porteurs libres est le seul
mécanisme pouvant conduire à un effet électro-optique
dans ce matériau. Des électrons (ou des trous) peuvent être
injectés dans une région non dopée à l'aide d'une jonction
pn polarisée en direct, ou bien ils peuvent déserter une
région dans laquelle ils sont initialement présents. Les
temps de réponse pour l'injection électrique de porteurs
sont dans la gamme des u.s. Les dispositifs à désertion sont
beaucoup plus rapides. Le principe est alors de moduler
l'indice optique des matériaux par une variation de la
Source microphotonique
en microcavité \
Collecteur de photons
en silicium
distribution des trous en concentrant ces derniers dans des
puits dans la bande de valence d'hétérostructures
Si/SiGe/Si et en plaçant cette structure à l'intérieur d'une
jonction pn pour pouvoir dépléter les puits par application
d'une tension inverse. Cela conduit à deux états corres-
pondant à des indices optiques différents des couches SiGe,
donc à une modulation de phase qui est transformée en
modulation d'intensité en plaçant les couches actives dans
une cavité résonante, de type Fabry-Perot par exemple.
5. Guidage et fonctions optiques
La surface réduite des circuits intégrés ne permet pas
d'utiliser des guides optiques à faible contraste d'indice qui
nécessitent des rayons de courbure trop grands pour les
changements de direction. Il faut donc se focaliser sur les
dispositifs à fort contraste d'indice comme le silicium
associé à l'air ou à la silice. Cela se traduit soit par des
guides utilisant le film de silicium monocristallin des
substrats SOI, soit par des guides en silicium polycristallin
déposés en surface du circuit intégré terminé. La forte
différence d'indice de réfraction entre le silicium et la
silice conduit à un fort confinement du champ électroma-
gnétique dans le film de silicium du SOI servant de guide
d'onde (Fig. 3). Le confinement latéral est obtenu soit par
gravure totale du film de silicium, conduisant à des micro-
guides rubans de section inférieure à 0,4 ! lm x 0,4 ! lm
pour être monomodes, soit par gravure partielle du silicium
pour former des guides en arête, dont la largeur peut être
plus grande ( 1 p,m). Les performances actuelles sont de
0,3 dB/cm de pertes de propagation pour un guide en arête
de 380 nm d'épaisseur et de 1 lm de large et de 8 dB/cm
pour un guide ruban de 200 x 500 nm dans le cas du
silicium monocristallin. Les pertes de propagation
dépendent essentiellement de la rugosité de flancs des
guides. Les films de silicium polycristallin sont préparés
par LPCVD ou PECVD à partir de silane ou de disilane.
La difficulté est de pouvoir recuire le dépôt sans dégrader
les circuits afin d'en améliorer la qualité optique. Les
guides de 0,5 ! lm de largeur et de 0,2 ! lm d'épaisseur
fabriqués au MIT par LPCVD à 560'C avec un recuit de
cristallisation de 600 °C de 16 h suivi d'un recuit à 1100'C
de l6 h présentent une perte de 20 dB/cm.
Silice
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Guide d'onde
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C-iIM, Figure 2. Couplage de la microcavité
laser aux guides optiques sur silicium sur
isolant.
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Figure 3. Mict-ocavité insei-i-ée dans tin gitide
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Figure 4. Diviselir 1 vers 4 (lEF - INSAILPM-LETI).
Le très fort contraste d'indice permet également de
réaliser des virages avec des rayons de courbure de l'ordre
du um (Fig. 4). Les miroirs obtenus par gravure totale du
film de silicium du SOI présentent de très faibles pertes, en
particulier pour les guides en arête. De plus, des diviseurs
de type MMI (MultiMode Interferometer) de 1 vers 4
montrent des sorties équilibrées pour un encombrement
réduit. La technologie des guides en arête sur SOI permet,
du fait des faibles pertes mesurées pour les différents
éléments passifs (guides, miroirs, diviseurs de faisceaux)
d'envisager de façon réaliste la distribution d'un signal
c
d'entrée vers 16 blocs dans un schéma de distribution
d'horloge tel que celui décrit sur la figure 1.
6. Photodétection
Comme pour les sources, deux alternatives se
présentent, avec soit l'utilisation de détecteur IV-IV
absorbant dans la gamme 1,2 - 1,5 u.m, soit le report de
matériau 111-V sur le circuit silicium.
La première est basée sur l'utilisation de couches à base
d'alliages IV-IV (SiGeC, multi-puits quantiques SiGe/Si,
Ge pur...). L'absorption dans la gamme 1,3-1,5 pm
nécessite une incorporation de Ge à un taux élevé dans les
couches. Pour des longueurs d'onde autour de 1,3 D.m, la
réalisation de multicouches SiGe est envisageable à
condition d'incorporer 40 % de Ge pour obtenir une
absorption suffisante. Le Ge pur présente une absorption
supérieure. Pour les applications à 1,5 D.m. des boites
quantiques en Ge dans des couches de Si est une voie
prometteuse. Par ailleurs, les options possibles portent sur
la nature des contacts (diode PIN ou MSM), leur géométrie
(contacts latéraux ou verticaux, interdigités ou non), le
type de couplage avec la lumière guidée (en bout ou
évanescent). Les performances de rapidité requises impli-
quent une photodiode de taille réduite pour diminuer le
temps de transit des porteurs photogénérés et la capacité de
la jonction. La longueur de matériau absorbant étant
réduite, la sensibilité de détection sera accrue en plaçant la
zone active en surface ou dans une microcavité optique de
type Fabry-Pérot à miroirs de Bragg, compatible avec le
guide SOI et accordée à la longueur d'onde de la diode
laser. Les miroirs de Bragg sont constitués de fines fentes
gravées dans le guide SOI. Le fort contraste d'indice fait
qu'il suffit d'un petit nombre d'alternances pour obtenir
une réflectivité importante et permettre ainsi la réalisation
de microcavités de dimensions microniques avec une
finesse élevée. Les couches détectrices sont placées en
surface de cette microcavité dans le cas d'un couplage
évanescent.
La deuxième voie est constituée par des photodiodes
PIN de type large bande à base d'hétérostructures III-V
InP/GaInAsP. Elles sont rapportées par collage molécu-
laire au-dessus d'un réseau de découplage placé à
l'extrémité du guide Si. Ce réseau permet d'extraire la
lumière en la diffractant verticalement vers la photodiode.
Le report par adhésion moléculaire étant une technique
bien maîtrisée au LETI, la difficulté vient de la fabrication
des contacts supérieurs et inférieurs dans une telle structure
à dimensions latérales faibles (de l'ordre de 5 n,m).
7. Conclusion
Si les attraits potentiels des interconnexions optiques
sont bien réels pour résoudre le goulot d'étranglement en
vitesse des liens globaux sur les circuits intégrés, de
nombreuses démonstrations de la fonctionnalité des
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