Si基微纳光子集成回路和芯片光互连技术.doc

Si基微纳光子集成回路和芯片光互连技术 信息时代的微电子技术按照 “摩尔定律”(Moores Law)飞速发展，以45纳米为特征线宽的深亚微米集成电路工艺已经进入了工业化阶段，而30纳米工艺已在实验室中成功实现。据预测，2013年（或最迟 2018年）时随着16纳米工艺的来临，微电子产业能否再依照“摩尔定律”前进则面临着不可逾越的物理极限。此时，半导体最小单元晶体管的“栅极” (Gate)的尺寸将达到5纳米，电子通过量子隧穿效应(tunneling effects)，将会自行穿越信道。此外，随着IC集成度的进一步提高，器件的功耗和散热也成为了制约微电子技术发展的难题。另一方面，基于计算机与通 信网络化的信息技术，希望微电子器件具有更快的处理速度、更大的数据存储容量和更高的传输速率。然而，传统金属（铜）互连技术由于RC延迟和热耗散造成互 连“瓶颈”，基于电子作为信息载体的硅集成电路技术将难以满足以上的要求，特别是信息处理的速度更难以满足信息化社会越来越高的要求。为此，将微电子和光 电子结合起来，充分发挥硅基微电子先进成熟的工艺技术、高密度集成及价格低廉以及光子极高带宽、超快传输速率和高抗干扰性的优势，已经成为了信息技术发展 的必然和业界的普遍共识。光子技术和微电子技术相结合，通过光子布线技术，使得微电子的数据传输速度和数据传输量极大增加，集成电路的功耗得到有效的降 低。从基于硅材料的微电子工业本身来考虑，众多的专业公司使得硅基光电集成更加具备了坚实的工业背景和光明的市场前景。因此，发展硅基光电集成，将微电子 和光电子技术结合起来，在集成电路芯片间乃至芯片内部引入集成光路，构成OEIC光电混合集成芯片，是信息工业发展的必由之路，也是人类科学技术的新挑 战。硅基光电集成一旦突破和实现，将引起新一轮的信息工业革命，由此产生新一代的光电集成芯片、新一代的高性能计算机、新一代的价廉物美的光通讯设施等 等，有着广泛的市场前景，也是国家重大战略需求。 Silicon-on-insulator (SOI)材料是一种新型的硅基功能光电子材料。SOI微纳结构光波导是近年来国际上很热门的一种先进的光子集成技术，其制作工艺与微电子标准CMOS工 艺兼容性好，不仅能大大降低成本，而且还能实现与硅基微电子电路的单片集成。SOI微纳结构光波导是指在SOI上形成的截面尺寸为亚波长量级的光波 导，Si芯层和SiO2包层之间大的折射率差异(n=2)使得SOI微纳结构波导对光场有很强的限制作用，波导的弯曲半径能够小 到微米量级，这就为波导器件的小型化和高密度集成化提供了巨大的便利；同时，波导中传输的光功率密度也会大大得到增强，由此还会出现一些在弱场情况下不易 出现的新性质，如受激Raman散射(SRS)、四波混频(FWM)、双光子吸收(TPA)等非线性光学效应，从而实现某些非线性光学器件。SOI微纳结 构波导因其横截面尺寸小，能够有效降低载流子的渡越时间和器件功耗，对芯片光子集成十分有利，因而成为高速硅基调制器的发展趋势。SOI微纳结构波导及高 速电光调制器在高性能计算机芯片光互连中有重要的应用，可实现芯片上各单元间时钟信号分配和高速数据总线，以解决传统电互连技术无法克服的电子“瓶颈”问 题：高功率耗散、串扰和RC时间延迟，而用光互连则可以有效解决高时钟频率下的时钟信号歪斜和抖动问题。 目前硅基光子学和光子集成技术已经发展到了一个崭新的阶段，新技术新器件层出不穷，有关硅的各种传统观念被新的实验结果一一突破。2004年Intel公 司在Nature上报道了调制带宽超过1GHz的硅基高速光波导调制器，同年Cornell大学的研究人员在Nature上发表了基于SOI波导微环谐振 器的亚纳秒级全光开关；2005年Intel公司又研制出了1550nm光泵浦的激射波长为1686nm的连续硅基Raman激光器，Cornell大学 的研究人员在Nature上报道了基于SOI波导微环谐振器的高速电光调制器；2006年Intel公司和加州大学联合研制成功了世界上首个电泵浦连续激 射硅基III-V族混合集成激光器，丹麦的研究人员在Nature上报道了应变硅的强电光效应；2007年Intel公司将硅基电光调制器的3dB带宽扩 展到30GHz，实现了40Gbits/s的信号传输，达到目前商用III-V族和铌酸锂外调制器的水平；2008年美国Luxtera公司向世人展示了 世界上第一块在130nm CMOS生产线上制造的硅基单片集成高速CMOS光子收发模块，采用WDM技术，数据传输速率4x10 Gbps；Intel公司报道了采用调制器阵列和波分复用MUX/DeMUX的硅基光子集成芯片，数据传输速率为200Gbps。硅基微纳结构光子功能器 件是当前硅基光子集成技术的研究热点，是实现高密度光子集成的关键，也为超高速、非线性硅基有源光电子器件开启了希望之门，硅光子时代已经来临。中科院半导体研究所集成光电子学国家联合重点实验室硅基光波导技术研究组目前承担着国家973项目、863 项目、自然科学基金重点和面上项目等多项国家级研究课题，对面向光互连、光通信、光传感和光信息处理的SOI微纳光波导技术开展了全面、深入的研究。主要 研究方向包括： SOI微纳光波导基础理论及制备技术研究 研究SOI微纳光波导的单模条件、偏振特性和损耗机理。微纳光波导主要的损耗机制是波导侧壁粗糙引起的散射，特别是对高折射率差导波结构，随着波导尺寸的 减小，模场与粗糙侧壁的相互作用会进一步增强，从而导致损耗呈指数急剧增加。SOI微纳光波导的偏振相关性很强，表现在波导中TE和TM模的模场、有效折 射率、群折射率、损耗等存在很大的不同。为了实现纳米线波导的低损耗传输以及偏振无关，必须深入研究硅纳米线波导的损耗和偏振特性。研究微纳光波导制作工 艺，工艺挑战包括电子束曝光的临近效应和写场拼接、纳米尺度深槽结构刻蚀、消除氧化硅填充空孔提高致密度等问题。 Si基微纳光波导高频调制器和高速光开关研究研究电学结构为PIN、反向PN和MOS型，光学结构为Mach-Zehnder干涉仪、微环谐振腔、 Bragg光栅Fabry-Perot谐振腔型、光子晶体微腔的SOI微纳光波导高速调制器中的载流子输运和光电相互作用规律，研究器件优化设计和微纳加 工工艺，实现GHz级高速调制功能。 SOI纳米线波导因其横截面尺寸小，能够有效降低载流子的渡越时间，因而成为高速硅基调制器的发展趋势。由于微环的共振增强作用，很小的折射率微扰就能导 致共振峰的移动，在特定的光波长处达到很大的消光比；并且，载流子浓度的变化通常不需要达到稳态就可以获得较高的调制深度，调制器的开关时间将有可能不再 受到载流子寿命的限制。此外，还可以将器件长度降低到几十微米到几百微米，从而大大提高器件的集成度。纳米线新型高速光开关和高频调制器在高速光交换和高 速光数据总线中有极为重要的应用。 高品质SOI微环谐振腔滤波器研究 本课题组致力于研究高Q值、高边模抑制比、低温漂、低非线性阈值功率的高性能微环谐振腔及其阵列，研究其相关应用。高品质SOI微环谐振腔是构成OADM 滤波器和其它光子集成器件如调制器、传感器、全光逻辑门、光延迟慢光器件等的基础元件，微环谐振腔将大量地应用在高密度光子集成芯片中，为了降低光能量损 失和提高器件工作速度，要求微环谐振腔具有高Q值。Q值与耦合系数、微环的损耗系数有关，损耗系数越小，Q值越大。因此，提高Q值的最根本途径还是降低圆 环的损耗，包括传播损耗和弯曲损耗，降低波导侧壁粗糙度是降低传播损耗的关键。研究影响SOI 微纳结构波导微环谐振器Q 值的物理因素，实验探索低损耗微纳波导的精细加工工艺，采用EBL 电子束光刻和ICP-RIE 反应离子刻蚀常规工艺，并结合氧化图形衬底“免刻蚀”新工艺降低微纳波导的散射损耗，实现高Q 值的微环谐振器。 硅基微纳光子结构非线性全光逻辑研究 研究高Q 值微环谐振器环形波导内的光场相干增强效应和强场下出现的各种非线性光学效应，重点研究双光子吸收TPA 效应激发非平衡载流子的物理机制、激发效率和阈值功率密度，以及非平衡载流子的驰豫和输运过程，探索其实现非线性全光逻辑功能的技术途径。结合高Q 值微环谐振器滤波特性对微环波导折射率微扰极为敏感的特性，利用TPA 效应激发非平衡载流子的等离子色散效应产生所需要的折射率快速改变，结合特殊的光学结构实现“与”、“或”、“非”等基