文|史说百家
编辑|史说百家
前言在现代技术领域，对高速数据通信和处理的需求持续增长，传统电子设备在速度和功耗方面正在接近其极限，这使得有必要探索新的技术进步途径。
光子芯片，也称为光学芯片或集成光子学，为这一挑战提供了一个有希望的解决方案，这些芯片操纵光而不是电子，从而实现更快的数据传输、更低的功耗和更少的发热，它的制作原理是什么？
制作原理光子芯片是一种半导体器件，它操纵光子(光粒子)而不是电子来处理和传输信息，通过使用光来携带和处理数据，光子芯片提供了优于传统电子芯片的几个优势，包括更高的数据传输速率，更低的功耗和抗电磁干扰。
光子芯片的核心部件包括波导、调制器、探测器和耦合器，波导是引导光通过芯片的结构，而调制器控制光的强度或相位来编码信息，检测器检测光信号，并将其转换回电子信号进行处理，耦合器允许芯片不同部分之间的有效光耦合。
材料的选择在光子芯片制造中至关重要，因为它们必须具有特定的光学和电子特性，大多数光子芯片中使用的主要材料是硅，因为它与现有的半导体制造工艺兼容并且成本低，然而，硅的间接带隙限制了它有效发光的能力。
为了解决这一限制，研究人员已经探索了其他材料与硅的集成，例如III-V半导体(例如磷化铟)或像锗这样的IV族材料，这些材料具有直接带隙，使得它们适合于发光和光学调制，不同材料的混合集成允许创建更高效和多功能的光子芯片。
光子芯片的制造涉及一系列复杂的过程，这些过程集成了各种材料和组件以实现所需的功能，平版印刷术是用来在芯片表面定义图案的基本工艺。
光刻术使用掩模和光将图案转移到光致抗蚀剂上，光致抗蚀剂随后被显影和蚀刻以在芯片上产生特征，等离子蚀刻用于去除芯片表面不需要的材料，反应离子蚀刻(RIE)是一种使用化学反应等离子体来选择性蚀刻掉材料的常用方法。
对于混合集成，外延生长用于沉积具有特定晶体结构的不同材料的层，分子束外延(MBE)和金属有机化学气相沉积(MOCVD)是常用的方法。
退火是将芯片置于高温下激活掺杂剂并提高材料结晶质量的过程，对于混合集成，键合技术(如晶片键合或倒装芯片键合)用于将不同的材料连接在一起。
掺杂涉及将特定的杂质引入半导体材料，以改变其电特性，从而为调制器和探测器创造p-n结，波导是光子芯片的基本组件，引导光通过芯片来执行各种功能，光子芯片中使用的两种常见波导类型是绝缘体上硅(SOI)和氮化硅波导。
SOI波导是在硅片上制造的，硅片上有一薄层二氧化硅(SiO2)，二氧化硅层充当绝缘体，将光限制在硅层中，SOI波导与标准硅工艺兼容，使其广泛用于与电子器件的片上集成。
另一方面，氮化硅波导是在顶部有氮化硅层的硅片上制造的，氮化硅波导具有低传播损耗，可用于比SOI波导要求更宽波长范围的应用。
调制器和探测器是光子芯片的基本元件，能够实现数据编码和解码， 调制器有几种类型，包括相位调制器和振幅调制器，相位调制器改变光的相位来编码信息，而振幅调制器控制光的强度。
调制器制造包括在波导中引入pn结，以实现电光或电吸收调制，pn结是在制造过程中通过掺杂工艺形成的，光电探测器将入射光信号转换成电信号进行处理。
一种常用的光电探测器是PIN光电二极管，它由一个pn结组成，光电探测器的制造包括pn结的形成，随后添加金属触点以收集产生的电流。
芯片上不同组件之间的有效光耦合需要精心设计波导尺寸和模式轮廓，调制器和波导设计必须考虑折射率工程，以实现所需的调制效率和传播特性。
光子芯片对温度波动很敏感，设计考虑必须包括在不同温度下稳定芯片运行的方法，光可以偏振，光子芯片设计应考虑偏振相关效应，以确保一致的性能。
光子芯片制造中的一个重大挑战是在同一芯片上集成光子元件和电子器件，混合集成和单片集成是结合光子学和电子学的两种方法，在混合集成中，由不同材料制成的独立元件被单独制造，然后在同一芯片上组合和对准，这种方法允许为不同的功能使用优化的材料。
单片集成包括在同一芯片上制造电子和光子元件，这种方法需要仔细的材料选择和制造过程，以确保电子元件和光子元件之间的兼容性，光子芯片制造的最后一步包括对芯片性能的严格测试和表征。
关键参数包括传播损耗、调制效率、调制器和检测器的响应度，以及串扰和功耗，光子芯片制造的原理导致了数据通信和处理技术的革命性进步。
与传统电子芯片相比，光子芯片提供了更高的数据传输速率、更低的功耗和更好的抗电磁干扰能力，光子芯片的成功制造需要仔细的材料选择、精确的光刻以及复杂的外延生产和键合技术。
光子芯片制造是一个多学科领域，需要材料科学、半导体物理和光学设计方面的专业知识，随着对高速、节能数据处理的需求持续增长，光子芯片将在塑造信息技术的未来方面发挥至关重要的作用。
通过持续的研究和开发，光子芯片制造原理将继续发展，带来新的创新和应用，彻底改变现代技术的面貌。
演变过程芯片，也称为集成电路(IC)，已经成为现代技术不可或缺的组成部分，从早期的真空管和晶体管到今天复杂的微处理器和存储芯片，芯片的演变是一次非凡的创新和技术进步之旅。
芯片的故事始于真空管的发展，真空管是最早用于计算和电信的电子元件之一，真空管体积大，耗电，容易出故障，限制了电子设备的复杂性和可靠性。
20世纪40年代末，晶体管的发明彻底改变了电子学，晶体管比真空管更小，更可靠，消耗的能量也少得多，1947年，贝尔实验室的约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿和威廉姆·肖克利共同发明了晶体管，为电子设备的小型化和便携性奠定了基础。
将多个晶体管集成到单个衬底上以创建集成电路的概念首先由英国雷达科学家Geoffrey W.A. Dummer于1952年提出，然而，正是德克萨斯仪器公司的杰克·基尔比和飞兆半导体公司的罗伯特·诺伊斯在开发第一个实用集成电路方面取得了重大进展。
1958年，杰克·基尔比展示了第一个工作的集成电路，这是一个单片固态器件，在一个锗晶片上包含多个组件，几个月后，罗伯特·诺伊斯独立开发了一种不同类型的集成电路，称为平面集成电路，它使用硅作为衬底材料。
诺伊斯的平面ic提供了更好的性能，并证明比Kilby的单片IC更具可扩展性，硅因其丰富性、稳定性和优异的半导体性能而成为集成电路的主要衬底材料。
20世纪60年代，随着金属氧化物半导体(MOS)技术的引入，硅技术取得了重大进步，MOS晶体管具有更快的开关速度和更低的功耗，非常适合集成到复杂电路中。
硅技术的里程碑式发展之一是20世纪60年代末互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺的发明，CMOS大幅降低了功耗，并成为现代微处理器和内存芯片的基础。
1965年，英特尔公司的创始人之一戈登·摩尔预言，芯片上的晶体管数量大约每两年翻一番，这一观察结果被称为摩尔定律，成为半导体行业的指导原则和集成电路不断升级的驱动力。
摩尔定律导致芯片上可以容纳的晶体管数量不断增加，从而导致计算能力和性能呈指数级增长，这种缩放允许创建更小、更快、更节能的芯片，推动了电子设备和计算技术的快速发展。
微处理器，也称为中央处理器(CPU)，是现代计算机和电子设备的核心，20世纪70年代早期微处理器的发展标志着芯片发展的一个重要里程碑。
1971年，英特尔推出了第一款商用微处理器，英特尔4004，4004有2300个晶体管，时钟速度为740 kHz，在接下来的几年里，英特尔继续开发更强大的微处理器，8008、8080和8086为20世纪80年代个人电脑的发展铺平了道路。
20世纪90年代，随着超标量体系结构的引入，微处理器的性能得到了显著提高，超标量体系结构允许并行执行多条指令，这一点，加上工艺技术的进步，使得计算能力快速增长，个人电脑和移动设备激增。
存储芯片是电子设备中存储和检索数据的基本组件，存储芯片的发展是芯片发展的一个重要方面，只读存储器芯片永久存储数据，用于存储固件和其他重要的系统信息，PROM(可编程ROM)和EPROM(可擦除PROM)是ROM的早期版本，允许有限的编程和重新编程。
RAM芯片在计算机或设备运行期间为数据和程序指令提供临时存储，早期的RAM技术包括动态RAM (DRAM)和静态RAM (SRAM)，每种技术都在速度、成本和易失性之间进行权衡。
20世纪80年代闪存的发明彻底改变了数据存储，闪存是非易失性的，这意味着即使断电，它也能保留数据，闪存很快成为USB驱动器、存储卡和固态驱动器(SSD)等便携式设备中存储的首选。
随着芯片上晶体管数量的不断增加，芯片设计者探索了片上系统(SoC)集成的概念，其中包括微处理器、内存和其他外设在内的多个组件被组合到一个芯片上，SOC在降低功耗、降低制造成本和提高性能方面具有显著优势。
智能手机革命在很大程度上是由高度集成的SOC的发展推动的，这些SOC将处理、存储、图形和通信功能集成到单个芯片中，这种集成允许创建强大而紧凑的设备，可以执行广泛的任务。
随着晶体管的尺寸接近物理极限，芯片制造商转向3D芯片堆叠作为继续提高性能和功能的手段，3D芯片堆叠包括将多个芯片垂直堆叠在一起，通过硅通孔连接(总的来说，芯片的发展是一个关于独创性、决心和技术突破的迷人故事。
从最初不起眼的真空管和晶体管到今天复杂而强大的芯片，芯片的旅程塑造了现代世界，并彻底改变了我们的生活、工作和通信方式，随着我们迈向未来。
芯片的持续发展有望带来更多非凡的进步和可能性，推动电子和计算领域的发展，芯片之旅还远未结束，这一关键技术的激动人心的未来仍有待书写。
参考文献
【1】《芯片制造》（美国）赞特电子工业出版社2010年8月1日
【2】《芯片战争》克里斯·米勒浙江人民出版社2023年5月
【3】《芯片制造——半导体工艺制程实用教程(第六版)》彼得·范·赞特2020年
