LES COMPOSANTS OPTOÉLECTRONIQUES J Mots clés Microphotonique silicium pour connexions sur Optiqueguidée, Interconnexion, Distribution d'horloge. rapides circuit intégré Par J.-M. Fedeli', S. Laval** . Chefde projet au CEA-LETI ** Directeur de Recherches CNRS à l'institut d'Électronique Fondamentale Dans un futur proche, les circuits capacité à distribuer à grande les composent. L'introduction l'information en réduisant l'augmentation 1. dans être est susceptible la distribution la puissance vont limités dans vitesse les informations entre blocs de la distribution photonique de sur ces liens globaux le synchronisme tout intégrés d'un consommée, leur qui d'améliorer signal d'horloge, et de permettre des débits. Introduction Le déploiement mondial des télécommunications optiques à longues distances et à hauts débits a été un des faits majeurs des deux dernières décennies. Historiquement, les solutions optiques se sont imposées par rapport aux solutions électriques lorsque les pertes essentiellement liées à la résistivité du cuivre et à l'augmentation des débits de transmission sont devenues trop élevées. Actuellement, les communications optiques résolvent la plupart des problèmes liés aux goulots d'étranglement des interconnexions et des limitations en vitesse de l'électronique, 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 quarantedernières années.Cela s'est traduit par une miniaturisation du transistor élémentaire et par une intégration de plus en plus poussée de systèmes électroniques SYNOPSIS . En microélectronique, les interconnexions électriques à l'intérieur du circuit intégré constitueront un des goulots d'étranglement dans l'augmentationdes performances des circuits intégrés du fait de la diminution des dimensions transversalesdes liens électriqueset de l'augmentationdes fréquencesde fonctionnement. . L'introductionde la distributionphotoniquede l'information sur les liens globaux est susceptible d'améliorer le synchronisme de la distribution d'information tout en réduisant la puissanceconsommée,et aussi de relâcher les contraintesde conceptionsur les niveauxles plus élevésde métallisation(distributiond'horlogepar exemple) . L'architecturedu systèmede connexionoptiquese compose d'un ou de plusieurs émetteursintégrés de lumière dans le proche infrarougecouplésà un ensemblede guidesoptiques intégrésqui réalisentune distributionoptique.À l'extrémitéde ces guides, un ensemble de photodétecteurs intégrés sur substrat silicium délivre électriquement le résultat de la fonction optique. REE N°9 OCIIIIIE 2u () 2 1 . Electricalconnectionsinside VLSI chip willbecomeone of the bottlenecksfor the increase in performances.This is due to the shrinking of lateral dimensions of electrical links concomitantto operationfrequencyrise. . Opticaldistributionof data on global linksmay improvethe synchronism of the delivery while reducing the required power, as well as freeing the routings on the higher metallic layers(dataclock deliveryfor instance) . An optical connecting system is architectured using basic blocksoperatingin the near infrared. Integrated lightemitters are coupledto silicon optical wave guideswhich 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 integratedcircuit. 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 transversalesdes 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 latenceet la puissanceconsommée lors de la transmission de données. Dans une vision plus futuriste, l'application des techniques de routage multifréquentiel utilisées dans les télécommunications optiques pourrait augmenter les débits internes à l'intérieur des puces. 2. 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 interconnexions métalliques conduit à des phénomènes de diaphonie. Les solutions à l'oeuvre pour repousserces 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 oeuvredes technologies cuivre et de matériaux à faible constante diélectrique. L'augmentation des dimensions des couches métalliques superficielles diminue la résistancedes pistes réservéesau routage des liens longs, d'où la solution d'augmenter le nombre de couches de métallisation (7 à 8 niveaux d'interconnexions métalliques pour les technologies 0, 1 p m).Les 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 limitations apportées par les interconnexions métalliques sur puce ont pour origine d'une part la diminution des dimensions transversalesdes interconnexions métalliques, corrélative 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 onéreuseset 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, interfaces vidéo...) dont les échangessont organisés par l'intermédiaire de un ou plusieurs bus dont le routage est figé. L'accroissement prévisible du nombre de ces blocs imposera un nouveau procédé de communication reconfigurable. La diminution des dimensions des liens conduit à une augmentation de la résistance linéique des pistes métalliques 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 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 répéteursaux dépensde la consommation et les outils de conception permettent de déterminer, très tôt dans le cycle de conception, le temps de retard dû aux interconnexions et la diaphonie, de façon à adapter l'architecture 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 prévisibles (utilisation du cuivre et de matériaux à faible constantediélectrique, nouvelles architectures et nouveaux designs), des voies technologiques alternatives aux interconnexions métalliques classiques sont donc proposées comme l'intégration 3D, les solutions RF ou les interconnexions 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 (quelquescentimètres sur une puce) pour limiter les conversions électrique-optiqueélectrique. 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 REF N.') 0, 2 (02 1 LES COMPOSANTS OPTOÉLECTRONIQUES Do,-,sOË en longueur d'onde devrait répondre sur les circuits - la sortie optique de l'horloge vers d'autres circuits intégrés à la tendance permanente à l'augmentation du débit dans les bus ainsi qu'au besoin pressenti pour un réseau de communication standardiséentre blocs IP. Cette 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 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 métallisation où il est possible d'atteindre des résistances linéiques plus faibles. Le remplacementde l'arbre de distribution 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 étapesde conception onéreusesseront 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 photodétecteurs des blocs via des guides optiques composés de lignes, de courbes, de diviseurs. 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 systèmede 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 photodétecteursqui 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 acteursprincipaux. Chaque laboratoire apporte ses compétences spécifiques afin de développer plusieurs voies de recherches pour les composants élémentaires. Photodétecteur 4. oa Da mmil.1mideIli Source il 1 Ille 1 eh - jDy lumineuse D%..fl Diviseur Figure 1. Distribution optiqued'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 futurestechnologiesCMOS ; - 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 ; REE NI9 Octobre 2002 1 Sources de lumière et modulation Les types d'émetteurs envisagés sont soit de la famille 111-Vreportéspar 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 composantsoptoélectroniques actifs III-V (microlasers et photodétecteursrésonants) reportés par collage moléculaire sur la plaque SOI. On reporte une couchecomposée d'une hétérostructure InGaAs/InP qu'il convientde 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 technologie mature tandis que les boîtes quantiquesencore au stadede la recherche,permettrontle confinementoptimum des excitons et d'atteindre les seuilsles plus bas. Il faut ensuite coupler cette microcavité laser aux guides optiques sur SOI (Fig. 2). La source étant positionnée audessus du circuit passif, le transfert de l'onde entre la source et le circuit aval s'effectue vers un collecteur de 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 photoniques. 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 particules : électron, trou et phonon pour l'émission d'un photon. Ce phénomèneest peu probable et les duréesde vie des porteurs sont élevées (de 10-4 à 10-3secondes). Les énergies de liaisons des excitons sont faibles et leur dissociation à température ambiante limite l'efficacité des processusradiatifs. Les meilleurs rendements de luminescence démontrésà ce jour sont de l'ordre du pour cent mais concernent du Si poreux. Dans le cas du silicium monocristallin, 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 envisagéesaujourd'hui grâce aux avancéesdu 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 \ 7-- *--7 Collecteurdephotons photons---- ! WI/ en silicium r-- 1 11, 1L- , 11 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 correspondant à des indices optiques différents des couchesSiGe, 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 contrasted'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 substratsSOI, 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 électromagnétique 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 microguides 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 sansdégrader 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 Guide d'onde l'en silicium Silice Sbàr4,t sih *C-iIM, Figure 2. Couplage de la microcavité laser aux guidesoptiquessur silicium sur isolant. REE N'9 Octobre 2002 1 1Ü - --,'1 11- -. LES COMPOSANTS OPTOÉLECTRONIQUES du fait des faibles pertes mesurées pour les différents éléments passifs (guides, miroirs, diviseurs de faisceaux) d'envisager c de façon réaliste la distribution d'un signal d'entrée vers 16 blocs dans un schéma de distribution i ;·_.. =.x ;l d'horloge tel que celui décrit sur la figure 1. 6. Photodétection Comme pour les sources, deux alternatives u^` âPT ` -`s i ; I, ''rt , " ' " ts`, vr ", "',,'"' r'i:l ' ; GW tr. n_,r.r=. ;Y " "'1 x.. _Pvs'. H, z.,. c :°.. '.' c Figure 3. Mict-ocavité insei-i-ée dans tin gitide (INSAILPM-LETI). f l I I I f: rcP' Jj I E m : I i Figure 4. Diviselir 1 vers4 (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 présententde 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, 1 d'alliages IV-IV (SiGeC, multi-puits quantiques SiGe/Si, Ge pur...). L'absorption dans la gamme 1,3-1,5 pm nécessiteune 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 absorptionsuffisante.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 optionspossiblesportentsur la naturedescontacts(diodePIN ou MSM), leur géométrie (contactslatéraux ou verticaux, interdigités ou non), le type de couplage avec la lumière guidée (en bout ou évanescent). Les performances de rapidité requises impliquent une photodiode de taille réduite pour diminuer le temps de transit des porteurs photogénéréset 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 ih Les se présentent, avec soit l'utilisation de détecteur IV-IV absorbantdans la gamme 1,2 - 1,5 u.m, soit le report de matériau 111-Vsur le circuit silicium. La première est baséesur l'utilisation de couches à base 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'hétérostructuresIII-V InP/GaInAsP. Elles sont rapportées par collage moléculaire 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 composants complet de sur base une outre-atlantique que du 6e PCRD tront sur ainsi d'éclairer la voie du avant que « focus celles réalisées communauté assemblage entreprises » sur les en France inter- et dans européenne des interconnexions un les études center de la commission la des à faire Gageons au sein connexions, cadre restent puce. le permet- microélectroniciens optiques. Les auteu Bibliographie D. Miller (Univ Stanford), Rationale and Interconnects Proceedings Vol to Electronic Chips. 88, N'6 (juin 2000), Challenges R. série of the N. Schnell, D. Pascal, A. Cordat, S. Laval, E. interconnects JEEE. CR Acad. Sel. B. Dal'zotto, L. Mollard, on SOI T. Benyattou, Cassan, S. Lardenois, A. Koster, D. Bouchier, B. Florin, M. Heitzmann, Z. Lamouchi, D. Renaud, J. Gautier, Optical : a front-end Interconnects Technology Conference, 2002. approach. San International Francisco, 3-5 Suzanne Laval, ancienne Masini, L. Colace, G. optoelectronics Engineering for Assanto communications. B89 (2002), pp. 2-9. (INFM Rome), Materials Science Roses, a juin France sur la bistabilité optique. Si based and Depuis une dizaine d'année, elle anime les recherches sur l'optique et l'optoélectronique intégrées sur silicium sur isolant. Elle coordonne le programme INOPCIS (Interconnexions Optiques dans les Circuits Intégrés Silicium) Réseau national Micro et NanoTechnologie. Jean-Marc G. élève de l'ENS de Fontenay-aux obtenu l'agrégation en 1967 et le doctorat d'état en 1973. Elle a dirigé liEF de 1986 à 1993. Après avoir mené des recherches en optique non linéaire, puis sur le transport non stationnaire des électrons dans les composants submicroniques, elle a initié les premières études en IV, N'7 2000), P. 941 Orobtchouk, N. Bouzaida, D. Louis, Optical pp. 728-749. S. Laval, Optical interconnects the challenge. Paris, for le CEA du Fedeli a obtenu le diplôme de liNPG en 1978. Il a intégré pour travailler sur magnétiques avec diverses MEMScAP pour développer que responsable les mémoires et les composants responsabilités, Après un bref passage à des MEMS RF, il a rejoint le LETI en tant de projet Photonique Silicium. 1