硅基光子学国内外研究现状及发展趋势

专题报告-1

硅基光电子学（光子学）研究概况

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2007年6月

硅基光电子学研究概况

编者按：本文介绍了硅基光电子技术的研究现状、重点研究方向、技术难点以及国内外主要研究机构的基本情况。希望能为我所学科布局的发展提供一些参考。

一、技术概述

硅基半导体是现代微电子产业的基石，但其发展已接近极限。而光电子技术则正处在高速发展阶段，现在的半导体发光器件多利用化合物材料制备，与硅微电子工艺不兼容，因此，将光子技术和微电子技术集合起来，发展硅基光电子科学和技术意义重大。近年来，硅基光电子的研究在国内外不断取得引人注目的重要突破，世界各发达国家都把硅基光电子作为长远发展目标。

硅基光电子学包括硅基光子材料、硅基光子器件和硅基光子集成三个主要方面。分别介绍如下：

1. 硅基光子材料

（1）硅基纳米发光材料

目前的研究重点是如何有效地控制硅纳米晶粒的尺寸和密度，以形成具有小尺寸和高密度的有序纳米结构。制备方法有：通过独立控制固体表面上的成核位置和成核过程实现自组织生长；在掩蔽图形衬底上的纳米结构生长；扫描探针显微术的表面纳米加工；全息光刻技术的纳米图形制备以及激光定域晶化的有序纳米阵列形成等。

（2）硅基光子晶体

光子晶体具有合成的微结构、周期性变化的折射率以及与半导体潜在电子带隙相近的光子带隙。根据能隙空间分布的特点，可以将其分为一维、二维和三维光子晶体。光子晶体的实际应用是人们所关注的焦点，而与成熟的硅工艺相结合是人们非常看好的方向，可出现全硅基光电子器件和全硅基光子器件，因此制备硅基光子晶体及其应用将是以后的研究重点。在所有光子晶体制备方法中，运用多光束干涉的全息光刻法有着许多优点：通过照射过程能够制成大体积一致的周期性结构，并能自由控制结构多次。通过控制光强、偏振方向和相位延迟，制成不同的结构。

2. 硅基光子器件

（1）硅基发光二极管

作为硅基光电子集成中的光源，硅基发光二极管（Si-LED）的实现是硅基光电子学研究中的一个主攻方向。目前的研究重点有：如何采用适宜的有源区材料，实现其高效率和高稳定度的发光；从器件实用化角度考虑，如何实现Si-LED在室温下的电致发光。研究人员已尝试了三种硅基纳米材料用于高效率Si-LED的制作，即硅纳米量子点，高纯体单晶硅和掺Er3+的硅纳米晶粒。目前报道最好的结果是韩国科学家研究的由镶嵌在SiNx膜层中的硅纳米量子点所制成的电致发光LED，室温下的外量子效率可高达1.6%。

（2）硅基激光器

目前，人们已初步提出了三种能产生光增益或受激辐射的增益介质材料，即具有高密度和小尺寸的有序硅纳米晶粒，基于内子带跃迁的硅/锗量子级联结构和具有受激喇曼散射特性的绝缘硅（SOI，Silicon-On-Insulator）光波导结构。2005年2月17日的《Nature》杂志上报道了Intel公司利用喇曼效应研制出了世界上第一台连续光全硅激光器。

（3）硅基光探测器

硅基光探测器是硅基光电子集成中的光信号接收器件，它应具有良好的光响应特性，较

高的探测灵敏度，小的暗电流和宽频带等优点。由麻省工学院材料科学与工程系研制的Ge-PIN光探测器，在1310nm、1550nm、1620nm波长的响应率分别为：600mA/W、520 mA/W、100 mA/W。该探测器能够覆盖光通信整个C band和大部分L band范围，具有2.5GHz的3dB带宽，在1310nm和1550nm的性能能够和目前用于通信的商用铟镓砷（InGaAs）探测器相比拟。

（4）硅基光调制器

光调制器是利用材料折射率的变化，对传输光的相位和波长进行调制的光波导器件。由于硅材料不具有线性光电效应，所以一般硅基光调制器和光开关是基于硅的热光效应和等离子色散效应而设计的。2004年2月，Intel率先在享有很高声誉的《Nature》科学杂志上宣布他们研制成功了Gbit/s的硅光调制器。仅过了一年，Intel的研究员证实他们的光调制器的传送速率已经达到10Gbit/s。

3. 硅基光子学集成

虽然目前还没有研制出硅光电子集成芯片，但研究人员已提出了两种可供参考的集成方案：光电混合集成和单芯片集成。但硅基光子集成工艺却有着很大难度，这是因为：光子器件和电子器件的结构复杂，两者在结构设计上存在着能否相互兼容的问题；制作工艺繁杂，因而存在着各种工艺和前后工序之间能否相互兼容的问题；电互连、光互连与光耦合等问题。结构设计与制作工艺的相容性问题则是能否实现硅基光子集成的关键所在。

二、国外主要研究机构及研究状况

1. 美国哥伦比亚大学纳米光学实验室（Optical Nanostructures Laboratory）

美国哥伦比亚大学纳米光学实验室（Optical Nanostructures Laboratory）通过与产业伙伴的合作，当前正在进行高密度、高性能的光电集成电路实验。目标是利用CMOS已经成熟的技术，在同一硅片上实现多种光电功能。他们的目标是设计、制作并测试最小光学损耗的核心光子元件，并进行带宽和纳米光电器件试验。这种高性能的光电集成电路将有着特定用途。

在哥伦比亚大学，硅光子研究小组在SOI平台上进行光子学集成方面的设计、数值模拟、制造和性能分析。小组的目标是：在硅基平台上进行有源和无源光学特性的论证，例如：光的产生、控制、传播和探测。他们正从事横截面积小于0.1?m2波导器件的研究。这种超小的截面将有以下好处：（1）小的截面能够提高介质的非线性响应，从而可以使用低功率的激光器；（2）这种器件能够减少光生载流子的寿命，这样，自由载流子的吸收将大大减少；（3）小的截面增加了传播的可能性。在纳米级波导制作方面研究小组将和IBM公司T.J.Watson研究中心的Vlasov和McNab两位博士合作。该小组的研究方向有：喇曼放大器、C波段波长转换器、磁光单向移动隔离器、快速低功耗热光开关、脉冲调制受激喇曼散射理论研究。

2. 加拿大国家研究院（NRC）微结构科学研究所（Institute for Microstructural Sciences National Research Council of Canada）

利用物理和生物科学交叉的优势，NRC-IMS（加拿大国家研究院微结构科学研究所）在与产业和高校合作上处于领先地位，与未来硬件需求相关新技术（信息处理、传播、存储和显示等）的开发具有明显优势。

NRC-IMS与加拿大产业合作的战略也使他们在全球IT产业中所需新技术方面居于统治地位。NRC-IMS产业合作伙伴通过研究提高技术，通过有选择的投资技术降低产业化的风险。如果能够实现，对该机构的未来将会是很大的转变，同时也是一个很好的机遇。

该研究所光子系统研究小组主要研究混合集成光波导器件，混合物利用各种材料的优点

以及很低的成本在芯片上实现全面和最佳的功能。该小组的研究方向有：波长管理系统、硅/聚合物集成器件、无源/有源集成器件、波长积分器、化学和生物化学传感器。

在先前对通信系统波导器件研究的基础上，该小组当前的研究重点是众多功能集成的系统，包括：硅/聚合物混合可变光衰减器（VOA）、阵列波导光栅（AWG）、硅/聚合物混合热光开关（TOS）、掺铒波导放大器（EDWA）、可调多波长激光源、半导体光放大器（SOA）。这些波长管理系统有着各种功能，包括：波长监测、补偿、阻挡、开关、光加入/取消、光放大、判决、光调整、光转换、再整形、再定时。

同时，该小组也研发化学、生物化学传感器，这种传感器可用来监测折射率的变化和用作波导表面材料的荧光效应。

3. 意大利特伦托（Trento）大学物理系纳米科学实验室（Nanoscience Laboratory） 意大利特伦托（Trento）大学物理系纳米科学实验室研究的领域涉及以下三个方面： （1）纳米光子学：纳米范围内的光子能够出现新现象，这些新现象能够带来新的器件。纳米晶体半导体的研究能够获得制造器件新的方法，如放大器和激光器等。利用电子束光刻能够制作成二维和三位的光子晶体。集成硅光电子重点研究光开关、调制器和光闸等。纳米晶体材料和光子晶体的结合能够开发出新的用于生物传感器和生物转换器的器件。

（2）纳米材料特性：具有新功能的材料如离子化合物或半导体重点用于能量、微电子和光电子学。在各种材料中，纳米结构的材料具有依赖结构发展的新特性。多年来，我们一直利用波动光谱学（喇曼和FT-IR）进行纳米结构合成物的实验，主要有纳米结构金属、电介质氧化物或半导体的量子点。最近的研究还涉及到碳纳米管。

（3）纳米生物技术：这个方向的主要目标是研究和试验新的纳米器件，设计要达到原子级，控制它们的三维结构掌握他们的性能。由于这些性能的奇特之处在于它们是自我调节三维结构的生物分子，纳米结构分子生物的添加，如量子点，能够获得新一级的纳米器件如纳米传感器、纳米转换器和纳米光学触发器。这项研究是跨生物化学家、材料学家和电子工程师之间的合作。我们目前正在研究基于硅的光学纳米传感器，这种传感器用于识别病原种类（病毒和DNA）和微小系统。

该实验室著名的半导体光电专家Lorenzo Pavesi教授是国际公认的硅基光电子研究方面的权威，曾在NATURE等国际著名期刊发表重要论文，组织过多次硅基光电子的国际会议。

4. Intel公司

Intel将硅光电子的研究分为三个阶段，共有六大难题，分别是：光源、光波导、光调制、光探测、低成本集成、智能化。如图下页1所示。

第一阶段是证明硅作为光学材料的能力，Intel对硅光电子的研究正是第一阶段。硅具备制作有源和无源光器件的性能，但用作有源器件时性能会有一定局限。在制成多种功能的集成光模块之前，这些性能通过研究已经得到改善和提高。最终，Intel将大部分精力投入到有源器件上来，例如：光的调整、探 测、开关、调制和放大，取得了一

图1 Intel 正解决的六大问题 些成绩，包括首台Gbit速率的调制

器和首台连续光波硅激光器。尽管

采用LiNbO3（铌酸锂）、InP（磷化铟）制成的10 Gbit/s的调制器在今天已经被广泛应用与

长距离通信，在2004年以前没有利用硅制成速度超过20Mb/s的。2004年2月，Intel宣布研制成功了Gbit/s的硅光调制器。通过像晶体管那样集成器件，Intel公司能够制作速率比以前更快的光调制器。一年后，Intel的研究员证实他们的光调制器的传送速率已经达到10Gbit/s。

过去因为材料的半导体特性使得硅激光器没有研制成，光子有效激发甚至光放大能够用InP材料来取代，Intel的科研人员发现利用喇曼散射效应能够让光波通过硅后进行放大，这是靠着硅晶体产生的“泵浦”光将能量传给信号光实现的。然而，问题是如何维持连续的工作。由于称为“两个光子吸收”的混乱的量子效应，引起光吸收电子云聚集在放大器中。

通过集成二极管式的半导体器件，研究人员发现他们能够清除电子云以达到连续工作的目的。通过给光放大器周围放置反射镜（在芯片末端），Intel制造了世界上第一台连续波硅激光器。

硅光电子研究小组在研制出了一批引人注目的有源光器件后尽管遇到了上面所描述的一些困难，Intel还是希望进入混合集成的第二阶段。第二阶段从硅光学试验台开始，该试验台是将电子和光子集合在微型机械结构的硅聚集平台。在不需要打开光源的条件下硅结构能够引导器件处于合理的位置。在这一阶段，Intel将会直接把一些特定的功能集成到硅器件中。例如：硅光复用器和探测器可以整合成多路接收器或硅调制器，激光器和无源器件可以集成为多路发射机。只有当集成方案对最终的模块带来好处的时候才会被采用，这些好处包括性能的提升、较小的体积和较低的成本。

最后一个研究阶段就是单片硅集成电路，即将所有的器件集成到一个模块，这样就不用在使用前对光源发出的光进行任何处理，而且成本也会降低很多。这同时也可以带来电子学方面的好处，如果光电集成能够得到解决，则同样属于电子学领域的革命。

如果成本降到足够低，新的产品将会随之出现。集成硅光收发器可以直接整合到光缆的连接器中，完成电接口的功能。对于技术人员来说，这就好像单一的电缆一样，将所有灵敏的光学接口放置在连接器中。网络设备如服务器刀片只需要有电接口。至于电光转换显然可由光缆本身完成。如果连接失败，更换光缆即可。

大量硅光芯片集成可以将系统和网络的连接方式变成光互连。正如前面所提到的那样，利用光传输能够消除带宽和距离的限制，柔软的结构能够更有效地传送数据。硅光电子的应用甚至超出了数字通信的范围，包括高速数据的光调试，通过传送模拟射频信号扩展无线网络，以及低成本的激光器能够用于生物医学。

5. Luxtera公司

Luxtera公司成立于2001年。Luxtera是第一家提供光子器件解决方案的公司，在开始的时候，Luxtera是世界上主要生产很小线距CMOS工艺芯片的公司之一。Luxtera的CMOS光子器件都是由CMOS电子学工艺集成，体积比传统的光子器件更小。

Luxtera公司产品通过直接集成高速光纤光网络接口到标准CMOS芯片以满足对带宽的需求，产品的设计方案不仅是将大量的数据从一个芯片传到另一个芯片（几乎不考虑距离和带宽），还要适应Moore定律以满足按指数增加的网络数据接口数据处理量。

历史上，硅片的线距遵循Gordon Moore在1965年提出的Moore定律不断减小。这种硅制造工艺的指数量级提高，使包含十亿晶体管的芯片处理速度达GHz。然而，芯片本来无限的数据处理能力日益受到芯片I/O速度的限制，因为芯片I/O速度不能按Moore定律提升，硅处理速度和集成密度令人惊奇的增长速度以及相互连接时电气特性的限制使得现有的这些不能满足未来硅产品的带宽要求。Luxtera的CMOS光子技术平台将迎接这些挑战。

Luxtera的CMOS光子技术能够用CMOS工艺产品构建复杂的光学系统，相同的CMOS工艺目前常用于制作超大规模集成电路（VLSI）。结合用于大范围分立计算机传递的高速数字电路、通信和传感产品，Luxtera公司设计、制作并测试了一套完整的光子元件。

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