從1947年第一只晶體管的問世開始，集成電路技術(shù)極大推動了科技進(jìn)步，為信息社會奠定了重要基石，開啟了人類歷史上一個嶄新的偉大時代。目前，集成電路已在日常生活中無處不在，遍布于計算機(jī)、手機(jī)、電器、汽車、互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。隨著社會的進(jìn)步和技術(shù)的發(fā)展，人們對信息的需求也越來越多，這對集成電路的信息獲取和處理能力提出了更高的要求。然而在后摩爾時代，集成電路面臨著不可逾越的電互連導(dǎo)致的延時和功耗方面的限制。于是，人們提出了利用光子作為信息載體來替代電子的設(shè)想，希望可以用光子更高效地完成信息的傳輸，即光互連。通過光電子和微電子的融合，可以實(shí)現(xiàn)高速光互連，實(shí)現(xiàn)信息的高速傳輸，解決電互連的瓶頸。硅基光電子技術(shù)是指基于硅材料的光電子器件設(shè)計、制作與集成技術(shù)。相對于其他的光電子材料，雖然硅材料因其間接帶隙的特點(diǎn)導(dǎo)致難以制作發(fā)光器件，但是硅材料具有很高的折射率，易于實(shí)現(xiàn)小體積高集成度的光電子器件。借助于硅材料的等離子色散效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)超高速光調(diào)制器，硅和鍺結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)紅外通信波段高速光電探測器，通過晶圓鍵合(waferbonding)技術(shù)可以將成熟的III-V族材料激光器引入到硅波導(dǎo)中。目前硅材料已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)絕大部分光電子器件，具備了成為優(yōu)秀光電子器件平臺的潛力。同時受益于成熟的CMOS工藝技術(shù)，硅基光電子具有可批量生產(chǎn)、集成度高、成品率高、成本低、易于和微電子電路單片集成的優(yōu)點(diǎn)。硅基光電子技術(shù)在發(fā)展過程中后來居上，在性能與穩(wěn)定性上逐漸超過了基于傳統(tǒng)材料的光電子技術(shù)，并展現(xiàn)出在通信、傳感、能源、軍事領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

1. 硅基光電器件研究進(jìn)展

硅基激光器

與硅基光子技術(shù)在無源波導(dǎo)器件、調(diào)制器以及探測器等領(lǐng)域取得的豐碩成果相比，片上硅基光源依然缺少成熟的方案。硅材料的間接帶隙特性，決定了其發(fā)光效率低下，難以作為有源材料制作高性能的發(fā)光器件。近年來人們從發(fā)光原理、材料、器件結(jié)構(gòu)等多個角度，開展了大量的硅基光源的研究，硅基拉曼激光器、納米硅發(fā)光、硅稀土摻雜發(fā)光、鍺/鍺硒合金光源等，發(fā)光效率不斷提高，甚至實(shí)現(xiàn)了激射。但這些光源的性能與III-V激光器相比還有一定的差距。因此，目前相對較成熟的硅光子片上光源方案主要是基于III-V材料，通過一定的集成手段在硅光子芯片上實(shí)現(xiàn)III-V材料激光器的制作。硅基片上光源按照集成方式的不同分為兩類：混合集成與單片集成。混合集成是指激光器或其增益材料并不是直接在硅材料上生長制作，而是采用特定的工藝，將激光器或其增益材料轉(zhuǎn)移至硅光芯片上，構(gòu)成片上光源。而單片集成則是采用優(yōu)化的工藝，直接在硅材料上生長特定的材料作為激光器的增益介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)片上光源的制作。兩種集成方式各有千秋，混合集成技術(shù)發(fā)展較早，所采用的工藝也比較成熟，能夠保證增益介質(zhì)的最佳性能，但其工藝成本較高，也難以實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的集成。單片集成技術(shù)雖然發(fā)展稍慢，光源性能有待提高，但單片集成光源一直被認(rèn)為是硅光子片上光源的終極解決方案，能夠最大程度的整合工藝，不斷縮小線寬，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模光電子集成回路。1. 混合集成混合集成方案主要包括激光器直接放置(directmounting)技術(shù)和晶圓鍵合技術(shù)。直接放置技術(shù)主要是指采用倒裝焊或貼裝工藝，將預(yù)先制作好的III-V族材料激光器放置在硅光子芯片表面，通過焊球完成電連接，實(shí)現(xiàn)光源與硅光波導(dǎo)器件的混合集成。富士通實(shí)驗(yàn)室的學(xué)者Tanaka等設(shè)計了一種無需溫度控制的硅光子發(fā)射機(jī)芯片，采用高精度倒裝焊設(shè)備將III-V族材料半導(dǎo)體光放大器(semiconductoropticalamplifier，SOA)集成在SOI襯底上，與波導(dǎo)端面對準(zhǔn)，和SOI波導(dǎo)一起構(gòu)成混合集成激光器，如圖1所示。采用倒裝焊有助于使硅光器件和SOA的設(shè)計更加靈活，同時也能夠?yàn)镾OA提供更好的導(dǎo)熱性。但端面耦合對倒裝焊的精度提出了很高的要求。為了提高對準(zhǔn)容差，需要在SOI波導(dǎo)上制作一段由SiON構(gòu)成的寬波導(dǎo)作為光斑轉(zhuǎn)換器，將SOI波導(dǎo)中的強(qiáng)限制光斑擴(kuò)展到與SOA的模場相當(dāng)?shù)某叽纭Ｒ虼?#xff0c;雖然倒裝焊技術(shù)較成熟，也能充分發(fā)揮III-V族材料的光增益特性，但高對準(zhǔn)精度要求導(dǎo)致了其工藝成本較高。圖1. 無需溫度控制的硅基光發(fā)射機(jī)芯片示意圖晶圓鍵合是目前混合集成方案中被人們寄予期望最高的光源集成技術(shù)。采用晶圓鍵合技術(shù)，人們可將III-V族材料外延層集成至硅波導(dǎo)等硅光器件上方，由III-V族材料產(chǎn)生的光可通過倏逝波耦合的方式進(jìn)入硅光子回路，完成片上光源與硅光子芯片的混合集成。由于鍵合時III-V族材料外延層還未做圖形化，所以鍵合工藝的對準(zhǔn)容差很高，有源區(qū)與下方硅波導(dǎo)的對準(zhǔn)則通過光刻工藝完成，相比倒裝焊等直接放置技術(shù)具有更高的對準(zhǔn)精度。晶圓鍵合技術(shù)主要分為兩類：直接鍵合(directlybonding)與粘結(jié)鍵合(adhesivebonding)。直接鍵合技術(shù)是指不借助粘結(jié)材料，直接將光滑、平整、潔凈的兩晶圓接觸，在界面鍵作用下，兩晶圓間形成牢固結(jié)合。粘結(jié)鍵合是指借助特定的粘結(jié)材料完成晶圓間鍵合的技術(shù)。常見的粘結(jié)材料包括金屬和聚合物，而針對III-V族材料與硅的集成，應(yīng)用最成熟的是基于苯并環(huán)(BCB)輔助的粘結(jié)鍵合技術(shù)。BCB具有牢固的鍵合效果，平整度高，熱穩(wěn)定性好，對III-V材料工藝中多種化學(xué)品具有較高的惰性，非常適用于III-V材料與硅材料的晶圓鍵合。但相對直接鍵合技術(shù)而言，BCB材料自身的導(dǎo)熱性能較差，因此對激光器的散熱有一定負(fù)面影響，會導(dǎo)致光源性能下降。此外，BCB層的引入增大了III-V材料有源區(qū)與SOI波導(dǎo)的間距，進(jìn)而降低了光場在有源區(qū)與SOI波導(dǎo)間的耦合效率，影響激光器的性能。針對這些問題，Keyvaninia等提出了一種“冷鍵合”工藝，能夠顯著降低BCB鍵合層厚度，將其控制在50nm以下。采用該技術(shù)，制作了BCB厚度約35nm的III-V族與硅混合集成DFB激光器，如圖2所示，并且通過對頂層二氧化硅過刻的方式，進(jìn)一步將BCB厚度減小10nm，實(shí)現(xiàn)了56Gb/s的直接調(diào)制速率。圖2. 基于BCB鍵合的III-V族與硅混合集成DFB激光器示意圖2. 單片集成單片集成方案主要指硅上異質(zhì)外延III-V材料激光器。與混合集成光源相比，單片集成方案最主要的優(yōu)勢是其能夠與硅光子工藝同步縮小線寬、提高集成度，在大規(guī)模光子集成芯片的研制中有巨大潛力，這也是硅光子技術(shù)的主要發(fā)展方向。硅上異質(zhì)外延III-V材料是目前來看最吸引人們注意的硅光子單片集成光源解決方案。直接在硅材料上外延III-V材料，有望把原生III-V族材料光子器件的工藝與技術(shù)應(yīng)用于硅光子光源中，得到性能優(yōu)異的片上光源。異質(zhì)外延技術(shù)面對的問題主要是III-V材料與硅間嚴(yán)重的晶格失配，這將導(dǎo)致位錯、反相疇等缺陷的產(chǎn)生，嚴(yán)重限制著III-V激光器的壽命和性能。對于位錯缺陷，在生長中可在襯底和有源區(qū)之間加入位錯阻擋層或其他緩沖層結(jié)構(gòu)，以降低穿透位錯(TD)密度和其穿透深度。而對于反相疇缺陷而言，緩沖層對其并不能起到有效的過濾作用。采用選區(qū)生長技術(shù)在圖形化的硅襯底上外延III-V材料，能夠有效限制反相疇缺陷對有源區(qū)的影響。由(111)晶面構(gòu)成的V型槽對于抑制反相疇缺陷的形成具有重要作用，器件三維示意圖如圖3所示。圖3. 硅基InP/InGaAs激光器陣列三維示意圖此外，與量子阱激光器相比，量子點(diǎn)(QD)的離散分布特點(diǎn)使其具有更好的位錯容忍度，能夠有效過濾位錯缺陷對有源區(qū)的影響，基于量子點(diǎn)的激光器具有更好的溫度特性和更低的閾值電流。Chen等采用將成核層與位錯過濾層結(jié)合的方式，得到了低至105cm-2量級的穿透位錯密度，制作出低閾值量子點(diǎn)激光器，閾值電流密度為62.5A/cm2，工作溫度范圍可高至120，預(yù)計壽命約100158h。

硅基電光調(diào)制器

為了實(shí)現(xiàn)從電信號到光信號的調(diào)制，需要利用到半導(dǎo)體材料的效應(yīng)。可以利用的半導(dǎo)體材料的效應(yīng)主要有：電光效應(yīng)、Franz-Keldisch效應(yīng)、熱光效應(yīng)及等離子色散效應(yīng)。電光效應(yīng)是指晶體折射率隨外加電場變化的現(xiàn)象，目前被廣泛應(yīng)用于高速光通信中。遺憾的是，硅是反演對稱晶體，并不具備線性電光效應(yīng)，只具有非常微弱的非線性電光效應(yīng)，無法引起足夠大的折射率變化。Franz-Keldisch效應(yīng)同樣也是一種電場效應(yīng)，是指半導(dǎo)體因外加電場而使光場吸收端位置移動，使得在吸收端附近某一固定波長的吸收系數(shù)因外加電場而發(fā)生較大變化。硅的Franz-Keldisch效應(yīng)也非常微弱，因此也無法利用其進(jìn)行有效的光學(xué)調(diào)制。熱光效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料因溫度的改變而引起折射率改變的現(xiàn)象。硅的熱光系數(shù)較大，溫度的改變能引起較大的折射率的變化，但是熱光效應(yīng)響應(yīng)較慢，只能達(dá)到MHz量級的調(diào)制速度。等離子色散效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料中因載流子數(shù)量的變化引起折射率和吸收系數(shù)的變化。基于等離子色散效應(yīng)的硅基電光調(diào)制器速率主要取決于載流子的注入和抽取時間。早期，人們一般采用正向注入的PIN結(jié)構(gòu)，載流子緩慢的擴(kuò)散限制了調(diào)制速度。2004年Intel公司提出了MOS型電光調(diào)制器，首次將硅基電光調(diào)制器速率提高到了Gb/s量級。此后人們又提出了反向偏置的PN結(jié)構(gòu)，消除了載流子擴(kuò)散效應(yīng)，將調(diào)制速率提高到50Gb/s以上。目前硅基電光調(diào)制器的速率已經(jīng)不是問題，通過PAM4可以實(shí)現(xiàn)100Gb/s以上的調(diào)制。現(xiàn)在硅基電光調(diào)制器的主要問題是插入損耗大，耦合損耗大。為了解決這一問題，本課題組基于雙向光柵耦合器提出了一種新型的垂直光耦合接口的電光調(diào)制器，如圖4所示，主要組成部分包括雙向垂直光柵、模式轉(zhuǎn)換器、PN結(jié)相移器、共面波導(dǎo)行波電極以及光學(xué)合束器。當(dāng)單模光纖被垂直放置于光柵區(qū)域中心時，光柵在輸入耦合端接近對稱分束，耦合進(jìn)入的光以接近1:1的分束比分成兩束分別經(jīng)過模式轉(zhuǎn)換進(jìn)入兩個光學(xué)相移臂中。通過對其中一個光學(xué)相移臂加電信號進(jìn)行調(diào)制或者對兩臂進(jìn)行差分調(diào)制，便可以實(shí)現(xiàn)兩個光學(xué)臂中的相對相位在0和π之間跳轉(zhuǎn)，兩束光波在經(jīng)過相位的調(diào)制后經(jīng)過光學(xué)合束的干涉作用，便實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度調(diào)制。和傳統(tǒng)硅基電光調(diào)制器相比，該新型調(diào)制器無需分束器，光柵在耦合的同時就完成了分束功能，節(jié)省了分束器的插入損耗。且該垂直光柵的耦合容差大，有利于調(diào)制器和光纖的耦合及低成本的封裝。在諧振波長處，光柵耦合器的分束比對光纖的位置不敏感，始終保持1:1的分束比。分束比對于調(diào)制器的性能具有非常大的影響，1:1的分束比確保調(diào)制器具有更高的調(diào)制深度和消光比。圖4. 新型垂直光耦合接口電光調(diào)制器圖5為該調(diào)制器的25Gb/s眼圖測試，(a)和(b)代表光纖偏離光柵耦合器中心+2μm和-2μm的眼圖，(c)和(d)代表光纖偏離光柵耦合器中心+4μm和-4μm的眼圖。由此可見，該新型光耦合接口調(diào)制器具有極大的耦合容差，解決了目前硅基電光調(diào)制器耦合容差小、損耗大的缺點(diǎn)，對于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本的批量封裝和測試，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。圖5. 調(diào)制器在不同耦合偏差時的眼圖測試

2.? 硅基光電集成研究進(jìn)展

CMOS硅發(fā)光器件與控制電路單片集成

上述硅基激光器制作工藝較復(fù)雜，無法通過現(xiàn)有的CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，因此無法和硅基電路單片集成。為了實(shí)現(xiàn)單片集成，必須基于CMOS工藝研制片上光源。我們采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝率先制作出不同機(jī)制、不同結(jié)構(gòu)的硅基發(fā)光二極管(LED)以提高器件發(fā)光效率。按照光激發(fā)方式的不同，研制的CMOS硅基發(fā)光器件包括：(1)PN結(jié)發(fā)光器件：基于PN結(jié)反向注入原理實(shí)現(xiàn)了多種結(jié)構(gòu)硅基發(fā)光器件，其發(fā)光峰值位于750nm左右的可見光波段，器件工作的擊穿電壓由最初的8.5V(雪崩擊穿)降到1.8V(齊納擊穿)；基于PN正向注入原理，實(shí)現(xiàn)了峰值在1130nm左右的近紅外光發(fā)射，工作電壓低于2V。此類器件的光功率最高可達(dá)0.18μW，較低的工作電壓使得硅LED更適合與典型的CMOS工藝電源電壓共用。(2)金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MIS)結(jié)構(gòu)發(fā)光器件：采用0.18μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制做了多晶硅/柵氧/硅構(gòu)成的MIS結(jié)構(gòu)，該器件在正向偏置和反向狀態(tài)下可以產(chǎn)生可將光和近紅外波段的光發(fā)射。(3)肖特基結(jié)發(fā)光器件：利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中的金屬硅化物與低摻雜硅可形成肖特基二極管，該器件在反向偏置之下可以發(fā)出類似于PN結(jié)反向擊穿的可見光，擊穿特性類似于齊納擊穿，光譜范圍較寬，可以拓展到1500nm的近紅外波段。圖6為通過0.18μm和0.35μmCMOS流片制作的硅發(fā)光二極管。巧妙利用CMOS里面的工藝層，通過版圖和結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)發(fā)光性能穩(wěn)定的硅發(fā)光二極管，該發(fā)光二極管可以在室溫下長時間穩(wěn)定的工作。為了驗(yàn)證提出的硅發(fā)光二極管性能的穩(wěn)定性，我們通過不同的CMOS工藝研制了不同形狀的LED，結(jié)果表明通過不同CMOS工藝研制的環(huán)形、十字形、八邊形、條形LED都可以在室溫下穩(wěn)定發(fā)光。圖6. 采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝研制的硅發(fā)光二極管所研制的硅LED為通過標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，因此具有和片上控制電路單片集成的優(yōu)點(diǎn)，如圖7所示，通過片上開關(guān)和存儲單元即可實(shí)現(xiàn)LED的動態(tài)控制。在單個LED的基礎(chǔ)上，我們研制了32×32動態(tài)發(fā)光顯示陣列。每個LED發(fā)光單元均單片集成了片上控制電路，因此通過片上控制電路可獨(dú)立控制每個LED的開關(guān)狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)動態(tài)顯示，圖8為動態(tài)顯示的“中國”字樣。圖7. CMOS發(fā)光二極管和控制電路單片集成圖8. 采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝研制的硅發(fā)光二極管陣列

CMOS光電探測器與接收電路單片集成

CMOS工藝中眾多PN結(jié)能夠用來實(shí)現(xiàn)光電二極管，包括源/漏-襯底PN結(jié)、源/漏-阱PN結(jié)、以及阱-襯底PN結(jié)。然而，這些PN結(jié)光電二極管的空間電荷區(qū)很窄。在沒有電場分布的區(qū)域里，光生載流子的緩慢擴(kuò)散運(yùn)動限制了這些光電二極管的頻率特性。已經(jīng)報道的這種簡單結(jié)構(gòu)探測器構(gòu)成的CMOS探測器的-3dB帶寬都要小于15MHz。為了提高帶寬，我們利用P+注入/N阱/P襯底形成叉子型雙光電探測器結(jié)構(gòu)。N阱區(qū)的面積被為探測器的面積，N阱周圍用P+保護(hù)環(huán)包圍。N阱中，利用P+有源區(qū)作為叉指型探測器的陽極區(qū)域，這種拓?fù)鋱D形有利于形成最大化的PN結(jié)耗盡區(qū)，從而有利于光生載流子的收集，尤其是在器件表面附近的載流子。N阱電極與探測器反向偏壓相接，一方面可以調(diào)節(jié)P+-N阱耗盡區(qū)的寬度，同時可以使N阱-P襯底反偏，從而達(dá)到屏蔽擴(kuò)散載流子的作用。該結(jié)構(gòu)探測器有效屏蔽光生載流子擴(kuò)散效應(yīng)對速率的影響，可以實(shí)現(xiàn)Gb/s高速探測。圖9所示為采用0.35μmCMOS工藝流片研制的探測器和前端接收電路單片集成芯片，單片集成了雙光電高速探測器、跨阻放大器、限幅放大器。圖9. 采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝研制的探測器和接收電路單片集成芯片圖10為該芯片的瞬態(tài)響應(yīng)測試波形，速率為1Gb/s。光源波長為850nm，光源調(diào)制信號為1Gb/s正弦波形，探測器探測產(chǎn)生光電流信號，經(jīng)前端接收電路放大之后輸出和入射光信號一致的波形。圖10. 單片集成光接收芯片瞬態(tài)響應(yīng)測試上述單片集成硅光探測器接收機(jī)只能探測可見光和近紅外波段，無法探測通訊波段。為了實(shí)現(xiàn)1.3μm和1.55μm通訊波段的探測，我們采用石墨烯作為探測器材料。受益于石墨烯材料的零帶隙，石墨烯光電探測器具有超寬的光學(xué)帶寬，能夠覆蓋紫外到遠(yuǎn)紅外波段，在不同的光通信波段都能工作，這是其他傳統(tǒng)的具有帶隙的半導(dǎo)體材料所無法企及的。受益于石墨烯超高的載流子遷移率，石墨烯光電探測器具有超高的電學(xué)帶寬，理論可達(dá)500GHz，有潛力超過目前速率最快的Ⅲ-Ⅴ族光電探測器。且石墨烯光電探測器的制作工藝和硅基集成電路中CMOS工藝兼容，因此可以將石墨烯光電探測器和CMOS前端接收電路單片集成，實(shí)現(xiàn)單片集成光接收機(jī)功能，實(shí)現(xiàn)光電子器件和微電子器件的優(yōu)勢互補(bǔ)，解決現(xiàn)有光接收機(jī)中混合集成方案的成本高、難以批量生產(chǎn)、體積大等問題。為了實(shí)現(xiàn)單片集成石墨烯光接收芯片，我們提出了CMOS后工藝集成方案。即將石墨烯光電探測器制備到提前設(shè)計、流片后的光接收機(jī)前端CMOS電路芯片表面。將石墨烯光電探測器制備到接收電路芯片表面，利用片上跨阻放大器實(shí)現(xiàn)石墨烯光電探測器光電流信號的放大和處理。這種基于石墨烯的三維集成光接收機(jī)芯片能夠繼承石墨烯光電探測器的優(yōu)點(diǎn)，同時有效彌補(bǔ)其缺點(diǎn)，有效減小混合集成方案中不可避免的寄生效應(yīng)和成本，有潛力實(shí)現(xiàn)低成本、高性能的光接收機(jī)芯片，從而被大范圍應(yīng)用于光通信系統(tǒng)中。三維集成光接收機(jī)芯片結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示，石墨烯光電探測器構(gòu)成光電子層，硅集成電路(integratedcircuit，IC)芯片構(gòu)成微電子層，實(shí)現(xiàn)光電子層和微電子層的三維集成。石墨烯探測器為簡單的金屬-石墨烯-金屬(MGM)結(jié)構(gòu)，將單模光纖對準(zhǔn)探測器有源區(qū)，能夠?qū)崿F(xiàn)對光纖中光信號的探測。探測器輸出的光電流信號，通過互連線傳輸?shù)降讓覫C芯片的輸入端。這里的硅IC芯片能夠?qū)崿F(xiàn)對微弱光電流的放大，并轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。圖11. 石墨烯光電探測器和電路單片集成光接收芯片圖12為石墨烯光電探測器表征，圖12(a)和圖12(b)分別為石墨烯在平坦的標(biāo)準(zhǔn)300nm氧化硅片表面和氮化硅表面(即IC芯片表面)的拉曼光譜。由拉曼光譜可知氮化硅表面未對石墨烯造成明顯的損傷。圖12(c)為石墨烯探測器SEM圖，溝道中顏色較深的為石墨烯。圖12(d)給出了石墨烯和氮化硅邊界處的原子力顯微圖(AFM)，結(jié)果表明氮化硅的粗糙度為1.8nm，覆蓋石墨烯后的粗糙度下降為1.6nm。粗糙度的降低表明了石墨烯優(yōu)良的力學(xué)性能。圖13為單片集成石墨烯光接收芯片瞬態(tài)響應(yīng)測試，光源為1.55μm通訊波段，黑色波形為石墨烯探測器輸出信號，紅色波形為經(jīng)過底層電路放大后的輸出信號，底層集成電路具有明顯的放大作用，有效提高了信號擺幅。圖12. 石墨烯光電探測器表征

硅基微環(huán)濾波器與溫控電路單片集成

硅基微環(huán)濾波器是硅基光電子中重要的一個器件，具有很多優(yōu)點(diǎn)，包括體積小，集成度高、功耗低，還可以利用其非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)在頻率變換處理等微波領(lǐng)域的應(yīng)用。硅基微環(huán)濾波器的最大缺點(diǎn)是對溫度非常敏感，實(shí)際使用時需要對微環(huán)的工作溫度進(jìn)行精確的熱調(diào)諧，因此極大限制了其大規(guī)模應(yīng)用。為了解決這一缺點(diǎn)，我們將微環(huán)濾波器和CMOS電路單片集成，通過片上溫控電路來自動調(diào)諧微環(huán)濾波器的溫度，從而解決微環(huán)濾波器對環(huán)境溫度敏感的缺點(diǎn)。圖13. 單片集成石墨烯光接收芯片瞬態(tài)響應(yīng)測試圖14為硅基微環(huán)濾波器與溫控電路單片集成示意圖，底層為事先設(shè)計的溫控電路，通過CMOS工藝流片實(shí)現(xiàn)；頂層為微環(huán)濾波器，通過CMOS后工藝制作在該IC芯片的表面。該三維集成芯片制作流程為：首先在IC裸芯片表面淀積二氧化硅，其厚度在微米量級以提供有效的隔離；然后采用CMP技術(shù)對二氧化硅表面進(jìn)行平坦化；接著淀積氮化硅，通過ICP刻蝕技術(shù)完成包括氮化硅波導(dǎo)器件的制作；最后，淀積頂層的二氧化硅形成上包層，光刻并刻蝕PAD窗口。圖15為單片集成硅基微環(huán)濾波器芯片照片，圖15(a)為通過CSMC1μmCMOS工藝流片的芯片照片，該芯片具有溫度傳感和控制功能。圖15(b)為在該IC芯片表面制作完氮化硅微環(huán)濾波器的照片。圖16為單片集成硅基微環(huán)濾波器光譜響應(yīng)特性測試，圖16(a)和圖16(b)分別為非溫控狀態(tài)和溫控狀態(tài)下濾波器的傳輸譜，其中插圖為單個諧振峰的局部放大圖。由圖16(a)可看出，當(dāng)環(huán)境溫度從30℃變化到65℃時，微環(huán)濾波器中心波長發(fā)生了明顯漂移。由圖16(b)可看出，溫控狀態(tài)下，濾波器中心波長在寬溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，環(huán)境溫度不會改變?yōu)V波器中心波長。濾波器的自由頻譜寬度約5.9nm，品質(zhì)因子約為12000，消光比為9.5dB。對比16(a)和16(b)可知，外界環(huán)境溫度由30℃變化到65℃時，在無溫控狀態(tài)下，諧振峰發(fā)生\了明顯的位移；在溫控狀態(tài)下，諧振峰幾乎未發(fā)生變化，說明溫控濾波器芯片的底層CMOS溫控電路很好地實(shí)現(xiàn)了對微環(huán)濾波器工作溫度的控制，克服了濾波器諧振峰對環(huán)境溫度敏感的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了超寬的工作溫度范圍。圖14. 硅基微環(huán)濾波器與溫控電路單片集成圖15. 單片集成硅基微環(huán)濾波器芯片照片圖16. 單片集成硅基微環(huán)濾波器光譜響應(yīng)特性測試

單片集成硅光收發(fā)芯片

硅基光電子具有和CMOS工藝兼容的優(yōu)點(diǎn)，在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行少量定制化的改進(jìn)即可實(shí)現(xiàn)硅基光電子和微電子的大規(guī)模單片集成。Luxtera是業(yè)界最早從事硅基光電子和微電子研發(fā)的公司，最早實(shí)現(xiàn)了硅基單片光電集成芯片在高速光通信領(lǐng)域的應(yīng)用。Luxtera和Freescale合作，對130nm SOI CMOS工藝線進(jìn)行了改進(jìn)，并且開發(fā)了光電子與微電子集成工藝庫及器件模型，對改進(jìn)后的SOI CMOS工藝制作的光電子器件和微電子器件的性能進(jìn)行了測試驗(yàn)證和建模。有了工藝庫和模型庫的支持，即可在統(tǒng)一的集成電路設(shè)計環(huán)境中進(jìn)行光電子器件和微電子器件的協(xié)同設(shè)計，真正實(shí)現(xiàn)光電子器件和微電子器件的單片集成。圖17是Luxtera推出的世界上首款單片集成硅光收發(fā)芯片照片，具有極高的集成度，單片集成了光調(diào)制器、光探測器、光柵耦合器、波分復(fù)用/解復(fù)用器、驅(qū)動電路、接收電路，可以實(shí)現(xiàn)100Gb/s高速光收發(fā)功能。Luxtera憑借其在硅基光電集成領(lǐng)域出色的成果，于2018年12月被Cisco收購。圖17. Luxtera公司研制的單片集成硅光收發(fā)芯片加州大學(xué)伯克利分校和麻省理工大學(xué)團(tuán)隊基于45nm SOI CMOS工藝研制了單片集成硅光收發(fā)芯片，實(shí)現(xiàn)了微電子(包括處理器、存儲器共7千萬個晶體管)和光電子(包括電光調(diào)制器、光電探測器、光柵耦合器共850個器件)單片集成，可實(shí)現(xiàn)芯片間高速光互連。芯片的截面示意圖如圖18所示，SOI襯底的頂層硅厚度只有100nm，埋氧層厚度不到200nm，因此頂層硅波導(dǎo)中的光會泄露到襯底。為了減小波導(dǎo)損耗，需要將波導(dǎo)對應(yīng)的底層襯底硅進(jìn)行局部刻蝕，確保光場被限制在頂層硅波導(dǎo)中。襯底局部刻蝕之后的硅波導(dǎo)損耗和光柵耦合器損耗分別降低至4.3dB/cm和1.2dB/cm，達(dá)到了常見的2μm埋氧層、220nm厚度頂層硅波導(dǎo)的水平。芯片照片如圖19所示，光收發(fā)機(jī)提供了該芯片高速光信號接口，通過引入片外光源，可以實(shí)現(xiàn)芯片間高速光互連，首次實(shí)現(xiàn)處理器和存儲器之間2.5Gb/s光互連。該芯片的處理器和存儲器上均單片集成了光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)，其中光發(fā)射機(jī)由光調(diào)制器、光柵耦合器、驅(qū)動電路組成，光接收機(jī)由光探測器、光柵耦合器、接收電路組成。圖18. 加州大學(xué)伯克利分校研制的單片集成硅光收發(fā)芯片截面示意圖圖19. 加州大學(xué)伯克利分校研制的單片集成硅光收發(fā)芯片照片2018年，該團(tuán)隊在Nature上又報道了另一款單片集成硅光收發(fā)芯片，該芯片不再采用成本較高的SOICMOS工藝，而是采用了成本更低、更常見的體硅CMOS工藝，代表了目前光電集成最好的水平。芯片的截面示意圖如圖20所示，為了實(shí)現(xiàn)光電子和微電子的單片集成，需要對CMOS工藝做一些改進(jìn)，增加一些工藝步驟，比如用來做隔離的氧化硅厚度增加到1.5μm，標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝中STI淺溝隔離的氧化硅厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1.5μm。另外需要淀積多晶硅厚度達(dá)到220nm，而標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝中的晶體管柵極多晶硅的厚度也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這個值。前端CMOS工藝的改變，可能會影響微電子器件的性能，這需要微電子領(lǐng)域?qū)＜液凸怆娮宇I(lǐng)域?qū)＜业膮f(xié)同合作。這也是目前我國硅基光電集成領(lǐng)域亟待解決的問題，硅基光電子需要和硅基微電子越來越緊密的融合，而現(xiàn)狀卻是國內(nèi)尚無可實(shí)現(xiàn)硅基光電集成芯片流片的CMOS工藝平臺，現(xiàn)有的CMOS工藝平臺尚無為了實(shí)現(xiàn)硅基光電子和微電子集成而進(jìn)行工藝改進(jìn)的意愿和能力。圖21是該團(tuán)隊在65nmCMOS工藝平臺上流片研制的12寸光電集成芯片中一個光收發(fā)通道的照片。該光電集成芯片的最小重復(fù)單元是26mm×32mm，4路波分復(fù)用解復(fù)用的芯片面積是4.8mm×5mm，集成了幾百萬個晶體管和幾千個光電子器件，包括基于微環(huán)的光調(diào)制器、光電探測器、光柵耦合器、波分復(fù)用器、驅(qū)動電路、接收電路等。

3. 硅光在智能領(lǐng)域的應(yīng)用

硅光集成芯片除了可用于上述光通信領(lǐng)域以外，在智能領(lǐng)域也有重要應(yīng)用。利用光電子器件和神經(jīng)元遵從的動力學(xué)數(shù)學(xué)同構(gòu)性，能夠用硅基光電子器件的行為模擬神經(jīng)元行為，實(shí)現(xiàn)基于硅光的類腦器件和神經(jīng)形態(tài)類腦芯片。美國MIT大學(xué)實(shí)現(xiàn)了深度學(xué)習(xí)硅光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片，可以實(shí)現(xiàn)元音字母的識別。該光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片包含56個可編程的MZI相移單位，利用熱光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對信號的加權(quán)延時，非線性閾值部分采用電腦模擬實(shí)現(xiàn)，拓?fù)溥B接是一個4輸入4輸出，含一個隱藏層的前饋網(wǎng)絡(luò)。光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片的識別率為76.7%，64位傳統(tǒng)計算機(jī)的識別率為91.7%，通過提高光電器件性能、增加集成度，可以進(jìn)一步提高識別率。該硅光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片的優(yōu)勢在于計算速度和能量效率，計算速度比計算機(jī)快2個數(shù)量級，能量效率提高5個數(shù)量級。美國普林斯頓大學(xué)利用微環(huán)濾波器和MZI調(diào)制器實(shí)現(xiàn)小型光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)2輸入1輸出的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和4輸入3輸出的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)解含延時和非延時微分方程，在人工智能中有重要應(yīng)用。Feldmann等采用微環(huán)和相變材料結(jié)合的結(jié)構(gòu)構(gòu)建了片上集成的全光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，整體架構(gòu)采用波分復(fù)用的思想，主要利用相變材料的非線性相變特性，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元非線性閾值輸出的功能。突觸權(quán)重部分采用波導(dǎo)和相變材料結(jié)合的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，主要利用相變材料的非易失相變特性，實(shí)現(xiàn)對權(quán)重維持，從而進(jìn)一步降低功耗。最終實(shí)現(xiàn)了單個神經(jīng)元的監(jiān)督學(xué)習(xí)和非監(jiān)督學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)單個和多個神經(jīng)元對不同輸入模式、字母和數(shù)字的識別。目前，國際上基于硅光的神經(jīng)形態(tài)類腦芯片正在往更高集成度、更低功耗、更高性能方向發(fā)展。圖20. 麻省理工大學(xué)研制的單片集成硅光收發(fā)芯片截面示意圖圖21. 麻省理工大學(xué)研制的單片集成硅光收發(fā)芯片照片

4. 總結(jié)和展望

光電子和微電子集成的源動力既來自于微電子的發(fā)展需求，也來自于光電子的發(fā)展需求。對于微電子而言，深亞微米下電互連存在嚴(yán)重的延時和功耗問題，迫切需要引入光電子，利用光互連解決電互連的問題。對于光電子而言，需要借助成熟的微電子加工工藝平臺，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高集成度、高成品率、低成本的批量化生產(chǎn)。隨著硅基光電子技術(shù)的成熟，以及微電子技術(shù)在后摩爾時代的橫向擴(kuò)展，硅基光電子將會和微電子大規(guī)模單片集成。集成度更高、性能更好、成本更低的硅基光電集成芯片將會涌現(xiàn)，并廣泛用于通信、傳感、智能等領(lǐng)域。

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總結(jié)

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