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解锁硅基光电子技术的潜力 | 硅基光电子PDK综述：组成、现状、建立指南以及在EDA流程中的集成

2023-12-19 16:027580

来源：陈昇祐 (Terence Chen)，深圳逍遙科技有限公司



随着硅基光电子技术的成熟,综合的PDK集成到自动化设计流程中，对于实现广泛应用至关重要。本文综述了硅基光电子PDK的关键组成部分，并提出了制作PDK的检查清单。我们讨论了PDK开放可用性、建模和标准化方面的最新进展。我们还检视了OptoCompiler以及PIC Studio等集成工具流程，以加速端到端光电子集成芯片设计。采用严格的PDK制作实践，并将PDK集成到EDA工具中，是发挥硅基光电子巨大潜力的关键。

摘要

Keywords:  硅基光电子; PDK; EDA; 标准化


引言


硅基光电子通过利用成熟的CMOS工艺在硅衬底上集成光电子器件，实现了高性能、低成本的光电子集成芯片(PIC) [1]。但是，发挥其巨大潜力需要稳健的PDK，它封装了工厂详情、设计规则、紧凑模型和光电子集成芯片设计所需的其他信息[2]。本文综述了PDK組成、开发现状，并提出了制作硅基光电子PDK的综合检查清单。还讨论了将PDK集成到自动化设计流程中的方法，比如PIC Studio等工具实现了从概念到器件的设计。


PDK组成


  1. 器件库:无源/有源光电子器件的紧凑模型和特性。

  2. 设计规则:间距、曲率半径等版图约束,以确保制造能力。

  3. 光电子器件模型:波导损耗、色散的模型，用于光电子链路模拟。

  4. 工艺信息:层厚度、宽度、流程等详情，以描述工厂信息。

  5. 关键工艺参数:CD偏差、过程变化以建模制造效应。

  6. 紧凑模型:S参数、IV曲线、可靠性数据，用于光电子链路级仿真。

  7. 层信息:层类型、密度规则、GDSII映射用于胶片制版。 



PDK建立的检查清单


PDK建立检查清单涵盖五个领域[2]:

  1. 器件与设计信息:

        · 光电子器件规格和器件模型

       · 版图设计规则和引导准则

       · DRC/LVS物理验证规则集

 2. 工艺信息:

       · 层厚度、宽度、电阻

       · 工艺流程、器件截面图

       · 设计模板和参数化单元

 3. 关键工艺参数:

       · CD偏差、工艺变化

       · 考虑制造能力的全限幅模型

 4. 数据与模型:

       · S参数、测量数据

       · 可靠性数据、电流极限值

       · 测量与模型的相关性

 5. 层信息:

       · GDSII层映射

       · 层类型、密度规则

       · 文本标签和阻挡层 


遵循此类综合清单，覆盖光学、版图、工艺和器件参数，可以加速光电子集成芯片设计。


PDK开放可用性与标准化的进展


近年来,在硅基光电子PDK的开放可用和早期标准化工作方面取得了重大进展:

  • IMEC、AIM Photonics、Leti、Tower、GlobalFoundries等公布了其代工厂专用的PDK。但是,不同代工厂的PDK之间的互操作性 (interoperability)目前仍然有限[4]。

  • 在建模方面取得进展,使用神经网络、先进数值法和过程变化的统计仿真等技术[5,6]。

  • IMEC、AIM Photonics、Leti、Tower、GlobalFoundries等代工厂提供了多项目晶圆(MPW)穿梭运行。这使得测试PDK器件和工艺可移植性成为可能。

  • Synopsys、Luceda、逍遥科技等公司的商业EDA解决方案不断涌现。这些解决方案提供端到端的设计自动化,集成不同的代工厂PDK。



  • IEEE P1838工作组提出的早期行业标准化工作,目的是定义标准的PDK格式。这有望实现多工厂设计流程[7]。

  • 在将光电子元件与电子元件集成方面取得进展,例如使用三维一体化技术[8]。


尽管硅基光电子PDK生态系统已经成熟很多，但在标准采用、光电子器件建模准确性和跨代工厂互操作性方面仍存在局限[2]。但是，到目前为止取得的进展让人乐观地相信，稳健和标准化的PDK平台能够实现，以发挥硅基光电子的巨大潜力。


将PDK集成到自动化设计流程中


为了利用好PDK的优势，将其集成到自动化设计流程中至关重要。EDA工具例如Synopsys OptoCompiler和逍遥科技的PIC Studio实现了端到端的光电子IC设计流程[2,9]，集成了PDK:

  1. PDK导入:导入器件模型、版图规则、层信息等PDK组成。

  2. 原理图设计:设计师使用PDK器件库构建光电子链路原理图。

  3. 版图生成:工具自动生成遵循PDK设计规则的可制造版图。

  4. 验证:执行DRC、LVS以确保正确性和遵循代工厂规则。

  5. 仿真:利用PDK紧凑模型对从版图提取的网表进行仿真。

  6. 数据准备:生成包含PDK层信息，可提交代工厂的GDSII版图。

 


逍遥科技的PIC Studio提供了一个集成套件:

  • pLogic:用于光电子链路设计的原理图创建编辑器。

  • pSim:光电子链路仿真工具，支持实验结果导入、误码率以及眼图仿真。

  • Advanced SDL: 从光电子链路原理图自动生成版图。

  • PhotoCAD:率先采用Python3的商业级代码驱动版图工具，支持波导自动布线、自定义波导弯曲算法、层次化设计、版图后仿真。

  • 与多种Spice仿真器的灵活协同仿真。 


 


这种自动化流程实现了遵循PDK设计规则的正确构建版图生成。集成的协同仿真也方便了全面光电集成协同设计分析与仿真。总体而言，采用严格的PDK创建实践并将其集成到EDA工具，是解锁硅基光电子巨大潜力的关键。

结论和展望


硅基光电子PDK和设计自动化工具生态系统在近年来取得了显著进展。但是，在标准成熟度、光学建模准确度和工厂互操作性方面仍存在局限。本综述总结了PDK发展的现状、关键组成部分、拟议的创建指南以及在设计自动化工具中的集成方法。实现综合而互操作的PDK集成到设计流程，有望加速硅基光电子技术的进步。代工厂、设计师和EDA供应商的持续协作将有助于解决现有的PDK生态系统挑战。严格采用PDK创建最佳实践并将其集成到高级设计自动化工具，可以帮助在不久的将来解锁硅基光电子的巨大颠覆潜力。


References：


[1] Thomson, D. (2016). Roadmap on silicon photonics. Journal of Optics, 18(7), 073003.
[2] Chrostowski, L., & Hochberg, M. (2015). Silicon photonics design: from devices to systems. Cambridge University Press.
[3] Chen, T.S.-Y. (2023). Silicon Photonics Process Design Kit (PDK) Creation Checklist. Latitude Design Automaion.
[4] Lim, A. E. J., et al. (2014). Review of silicon photonics foundry efforts. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 20(4), 405-416.
[5] Wang, B., (2017). Modeling of Silicon Photonic Devices for Optical Interconnect Transceiver Circuit Design. 10.5772/intechopen.68272.
[6] Wang, J., et al. (2016). Subwavelength grating enabled on-chip ultra-compact optical true time delay line. Scientific reports 6, 30235.
[7] IEEE P1838 Working Group: https://grouper.ieee.org/groups/3Dtest/
[8] Han, J.H. et al. (2019). Wafer-scale monolithic 3D silicon photonics. ACS photonics, 7(1), 119-127.

[9] Latitude Design Automation. PIC Studio Suite. https://latitudeda.com/solution/product



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文章转载自微信公众号：北京光博会订阅号

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