项目名称面向高性能计算机超结点的关键微纳光电子器件及其集成

项目名称：面向高性能计算机超结点的关键微纳光电子器件及其集成技术研究首席科学家：郑婉华中国科学院半导体研究所起止年限：2012.1 至 2016.8依托部门：中国科学院一、关键科学问题及研究内容拟解决的关键科学问题围绕未来高性能计算机的重大需求，在研究超结点 CPU 间数据交换的硅基微纳光电子器件及集成技术中，我们需要重点解决下列三个关键科学问题。（ 1） 纳米光电子结构体系中的光电耦合、传输与共振机理项目中所研究的纳米光电子器件要求高带宽、 低延迟，纳米光电子结构体系中包含了量子阱、光子晶体、金属纳米结构、纳米线等微纳结构基本要素，每种要素都有其独特的物理机制、 特性及应用目标， 如何将上述基本要素进行有机结合，产生出全新的器件结构和优异的器件性能， 探索该体系中的光电耦合、 传输与共振机理是我们面对的首要科学问题。 其中，如何控制量子阱与光子晶体复合结构中的辐射与损耗、 如何采用特殊的光子晶体结构实现对光的减慢、 色散、局域、隧穿等控制、 如何基于等离激元效应与纳米波导结合解决光电耦合、 光电共振、模式控制及倏逝场形成等， 是剖析所构建的纳米光电子结构体系所必须解决的关键问题；同时，传统的物理模型已无法精确描述微纳尺度下材料与器件的工作机理，也无法对微纳尺度下材料与器件的多维特征进行表征和优化， 研究新型微纳光电子器件的物理模型及其在四维空时体系中的表达， 是必须解决的另一个关键问题。（2） 纳米光电子集成系统中的高速宽带光电转换机制项目中所研究的纳米光电子集成系统要求高速高带宽，采用 10100 纳米尺度的新型波导结构的集成系统， 其载流子和光场分布及相互作用机理与传统硅基波导有本质的区别， 如何操控高速高效的电光转换和光信号路径、如何解决难以同时提高调制效率和响应速度的问题，探索纳米光电子集成系统中的高速宽带光电转换机制是我们面临的另一个关键科学问题。其中，如何解决单晶 Si 体材料中无线性电光效应且 Kerr 效应和 Franz-Keldysh 效应弱、而基于等离子色散效应研制的调制器和光开关， 受限于载流子的迁移率而导致的调制效率与响应速度难以同时兼顾的问题， 是解决该科学问题的关键； 如何在高集成度条件下， 增强波导光学限制能力、提高电光调制效率等是解决该科学问题的又一关键。（3） 纳米光电子集成芯片中异质材料、功能器件间的集成与兼容项目中所研究的纳米光电子集成芯片将集合III-V族半导体微纳激光器、 Si基微纳调制器、Si基光交换阵列、 硅基微纳结构光波导、 硅基Ge 材料微纳探测器等核心光电子器件，涉及不同的功能结构及多种异质材料，发挥Si、Ge和III-V材料分别在光电集成、光探测和光发射方面的显著优势，研究异质材料及各功能器件间的集成和兼容成为急需解决的关键科学问题。其中Si 和 InP 晶格失配高达 8.1， Si 和 Ge 晶格失配也达 4.2%，存在常规的异质外延生长工艺无法实现材料兼容的问题，如何解决 Ge/Si 选择区域外延生长问题，如何解决低温高质量的硅基异质集成技术，包括 III-V/Si 直接键合、中间层键合、表面活化键合等低温异质键合等问题， 是解决异质材料兼容科学问题的关键。 另外，纳米光电子芯片是多种功能器件协同运作的微小系统， 涉及到光子回路与部件间的光电热力学的耦合、交叉与隔离问题，如何解决纳米尺度内的光电热力多场传导、耦合、管理问题，如何解决微纳米光学谐振腔器件的无热化机制问题、 多种光子器件间模斑尺寸和折射率失配问题等， 是解决功能器件间的集成与兼容科学问题的关键。主要研究内容：（1）研究光子晶体能带效应、等离子激元效应等在微纳波导等新型结构体系中的应用，研究该体系中光子电子相互作用与能量转换研究光子晶体结构下，光子能带中局域模式与传导模式的电磁场分布特性，深入研究特定振荡模式在光子晶体中的局域特性、 共振隧穿特性、 反常色散特性、慢光特性等对激光振荡及输出的影响。研究光子晶体能带中的共振隧穿效应对模式的选择作用， 探索模式的高传导特性、材料的高吸收特性对提高模式之间的光学限制因子的差异和模式竞争差异的作用，探索获得模式优选的可能。研究光子晶体能带的光子带隙及高对称点处的特殊色散性能对激光模式的强烈调控作用，探索利用这一特性实现激光腔内主振模式与寄生模式之间的分离原理。探索等离激元、光子晶体及量子阱复合光子电子耦合体系下的光激射行为，研究场诱导增强透射效应 (EIT) 在微纳光电子器件中应用的物理机制和实现方式。（ 2）高速、低功耗的硅基纳米线波导调制、开关机理与器件制备研究基于硅基等离子色散效应，研究 10100 纳米尺度的载流子的高速输运特性，研究纳米光电结构体系中光子与载流子相互作用的增强与加速机制， 深入研究分析纳米尺度波导结构中载流子迁移率、 载流子寿命、掺杂分布与器件速度和功耗之间的关系。利用硅纳米线波导、 slot 波导或光子晶体波导等新型纳米光波导结构，增强载流子与光场相互作用的强度并缩减载流子输运距离， 研究新型的谐振腔级联方式实现光谱改性与速度优化，研究硅波导和谐振腔的缩减手段以降低驱动功耗，研究 10 纳米量级的波导结构特别是材料界面的纳米结构对谐振腔等关键光子单元特性的影响原理与操控机理。深入研究新型纳米光子结构中高速光信号的衰减、延迟、畸变、啁啾等现象的产生机理和纳米尺度结构的独特性能，研究微纳米谐振腔的级联方式、Q值、谐振阶数、色散、相移、群速度延迟等特征参数与器件功耗和速度的关联性，通过纳米尺度结构的新机理和新特性实现高速高效的光子器件。探索纳米级波导制备工艺对光子器件特性的潜在影响和促进作用，研究高精度的光刻 /套刻、硅基干 /湿法刻蚀、强束流离子注入、快速热退火等与CMOS兼容的硅基加工工艺，控制CMOS 工艺对微纳尺度下器件的形貌、掺杂分布等的影响，充分利用不断改进升级的CMOS 工艺的技术优势，进一步改善光子器件中载流子的输运特性和操控能力，研制出基于新型纳米结构的高速低功耗的光调制器。（ 3）硅基锗材料的纳米结构设计、表面界面微结构的改性及制备研究研究高质量硅基锗微纳结构形成机制， 基于外延和局部氧化组份偏析等原理和方法，制备出硅基选区锗微纳结构光电探测器集成材料。研究金属接触界面微结构改性对纳米尺度微结构内部电场分布和调控的作用机理，探索提高探测器吸收区内局部电场强度， 实现低偏压下雪崩倍增效应的方法。研究等离激元局域场作用下高密度光子的非线性饱和吸收机理， 以及纳米尺度金属本征吸收与探测测器光电吸收之间耦合和竞争， 提高探测器的光电转换效率。研究金属与锗微纳结构接触界面态对载流子输运的影响机制， 基于界面钝化和接触势垒高度的调控，降低探测器的暗电流。（ 4）基于 CMOS 工艺光电子器件的集成技术及方案研究多种基本硅基微纳光电子功能器件和集成技术， 研究有源与无源光子器件间的高效耦合机理和纳米耦合结构， 探索微纳尺度光、 电、热、力学的传导、耦合与隔离机制，建立面向大规模光电集成的多场耦合联合仿真模型。研究分析微纳光子器件的色散、 非线性、衰减、增益等劣化集成系统性能的关键因素，研究超高带宽低功耗的光电并行双层体系结构以实现功能优化和切分，探索兼顾当前光、电器件水平的最优拓扑结构，使开关数和波导交叉最少、交换延迟最小。研究纳米级的硅基制备工艺， 探索高精度的光刻、 多层曝光套刻、 硅基干/湿法刻蚀、离子注入等与 CMOS 兼容的硅基加工工艺， 利用国内标准 CMOS 工艺线和低温硅基异质键合、 外延生长等技术， 开展硅基光电子器件与集成的制备技术研究。二、预期目标本项目的总体目标：本项目总体目标是面向百亿亿次的高性能计算机超结点中CPU 间数据交换对微纳光电子集成芯片的迫切要求，引进光子晶体与表面等离激元方面的最新成果、结合半导体外延技术与异质材料兼容技术，发展与CMOS 工艺兼容的光电子微纳加工技术， 研制高性能的微纳激光光源、 调制器、光交换阵列及探测器等核心光电子器件 , 最终实现功能上满足 CPU 间数据交换要求的 微纳光电子集成芯片 。该芯片（图 2a）支持 8 个以上 CPU 间的数据交换、胖树网络拓朴结构、 CPU 输出输入带宽 800Gb/s 以上，光交换规模 16 16 以上， CPU 间交换总带宽达到 12.8Tb/s（图 2b）。发表论文 200 篇，申请发明专利 80 项，培养研究生 100 名。（ a）（ b）图 2 (a)超结点中 CPU 间微纳光电子集成芯片原理图； (b)超结点中 CPU 间微纳光电子集成芯片布局图在既定关键科学问题的解决上取得突破性的理论和实验进展， 深化“半导体光电子学”与“高性能计算科学”之间的交叉融合；通过材料、结构、工艺和器件的创新，形成具有自主知识产权的多功能、 大规模半导体光电子集成核心技术，创建面向高性能计算机超结点微纳光电子集成的基本构架和工艺体系， 进一步掌握纳米结构的先进设计方法和精确制备技术， 研制成功一批具有国际先进水平的半导体光电子器件与集成芯片。 使我国在光电子集成器件与系统的国际竞争中赢得较大的战略优势， 为我国信息基础设施和电子信息产业水平的全面升级开辟道路，推动经济、社会发展，提升国家安全保障能力，并带动相关领域科学技术的进步。五年预期目标：微纳激光器 ：掌握光子晶体慢光效应及等离激元等作用机制下的边发射硅基混合集成激光器工作机制、 设计和实现方法， 掌握图形键合硅基混合集成的工艺技术，通过倏逝场耦合实现高效硅波导输出，波长为1.3 m 或 1.5 m，输出功率达到 mW 量级。微纳调制器 ：掌握设计高速、 低功耗的低温度敏感性的电光调制器的关键技术，研制出速度 25Gb/s，消光比 5dB，尺寸 0.5mm2mm的硅基微纳电光调制器。微纳探测器 ：掌握设计和制备波导型III-V 族微纳探测器的关键技术，掌握大失配材料系Si/Ge 外延生长动力学过程和硅基锗微纳结构集成材料的形成机理，在硅基上制备出超低位 错密度高 质量的纳米锗薄膜 ，位错密度小于1x105cm-2。研制出 1.3 1.6 m 硅基混合集成微纳光电探测器， 器件响应度 0.5A/W 以上，带宽达到 25GHz，工作电压小于 5V 。微纳光电子集成芯片 ：针对面向高性能计算机的互连网络体系结构，给出光交换解决方案，降低微纳光电子器件的数量和指标要求，减少纳米制造的难度，提高光电子器件纳米制造的可行性，并达到未来10 年高性能计算机对超结点内交换的性能需求。 CPU 输出输入带宽 800Gb/s 以上，光交换规模 16 16 以上， CPU 间交换总带宽达到 12.8Tb/s。本项目组将在国内外核心刊物上发表论文 200 篇以上，获得或申请国家发明专利 80 项以上；培养博士后 4-8 名，博士 40 名，硕士 60 名。本项目组将进一步促进所在国家实验室、 国家重点实验室、教育部重点实验室等科研基地的建设，营造更好的基础研究氛围， 进一步深化与国外顶尖科研机构及科研团队的实质性合作；从而使项目组自身发展成为一支更有活力、更高水平的研究团队。三、研究方案1、学术思路本项目明确面向高性能计算机超结点对微纳光电子集成芯片的需求， 深入研究集成系统中所需的新型高性能微纳光电子器件， 突破微纳激光光源、 微纳高速高响应探测器、高速光调制器、高速 16 16 光交换阵列等核心器件，重点探索基于微纳结构的新物理效应、 纳米加工方法及微纳器件集成技术， 实现 CMOS工艺兼容的硅基微纳光电子集成芯片。学术思路主要体现在以下三个方面： (1) 高性能微纳光电子器件的研究须深入挖掘现有器件的工作机理、 设计方法，充分采用纳米研究领域的新原理、 新结构、新技术，依靠异质材料和复合结构在纳米尺度下的介观效应， 突破传统光电子器件的光场调控极限， 在纳米光电子结构体系中实现高性能的光场耦合、传输与共振，完成高密度、大容量、低功耗集成系统中的光传输与交换的操控。 (2)新型纳米加工方法和集成技术是实现本项目研究中各种高性能微纳光电子器件的基础。 通过探索并采用纳米尺度条件下的新型异质材料加工方法， 以突破光电子器件性能极限， 并且达到功能兼容与集成化目标，满足集成系统中高性能微纳光电子器件的指标要求。 (3) 明确的总体目标是本项目的关键思路之一。 高性能计算国家重大战略需求为本项目提出了高水平的指引，也为项目成果提供了原理性验证条件， 并对微纳光电子器件提出了明确的性能要求。本项目在此指引下引入纳米研究领域的新思路， 突破传统器件的性能限制因素，使器件性能得到显著提升。2、技术途径基于微纳技术的激光器、 光探测器、 光调制器、光开关等高性能光电子器件是微纳光电子集成芯片的基础。 本项目将充分利用成熟的 CMOS 工艺设计制备硅基集成微纳光电子器件， 并灵活辅助硅基异质材料混合集成工艺， 实现高性能光电子核心器件及高速、 低功耗的微纳光电子集成芯片。 充分融合和利用不同材料及结构的性能优势， 实现不同材料和功能器件间的高效光电耦合和兼容。 具体途径如下：硅基混合集成激光器： 1）利用硅基 /III-V族异质键合解决器件材料问题。要研究的关键技术是等离子体辅助低温直接键合，通过对晶片键合质量与压力、温度、气体环境等因素之间的依赖关系的研究，揭示相关的动力学规律， 深化对于晶片键合物理化学机理的认识，实现大面积、高质量图形键合。 2）通过消逝场耦合解决光波的高效导入问题。 3）利用光子晶体慢光波导大幅度缩短激光器的腔长。横向限制采用脊形波导与表面等离子体相结合， 缩小横模尺寸， 进一步减小尺寸。最终制备出低阈值，高效的适于高密度集成的微纳结构光源。高速硅基调制器： 1)本项目基于载流子色散效应来调节折射率， 电学调制结构将采用 PN 二极管，通过快速的载流子反向抽取产生高速调制效应。通过重新设计杂质在微纳结构中的分布， 在正向注入的结构中引入反向抽取过程中的漂移过程，从而提高注入的速度， 减小信号的上升沿时间； 通过增加复合中心减小载流子的寿命，消除载流子抽取过程中的 “拖尾 ”现象，减小信号的下降沿时间，最终提高速度；利用纳米级精度的曝光与离子注入工艺缩减载流子的输运距离，增加载流子与光场的有效交叠面积。 2)采用具有高光学限制能力的硅基微纳光波导增大光场与电场的相互作用的光学结构， 利用高带宽的慢光群折射率增强结构增强等离子色散效应 ,以提高电光调制效率。综合光电结构优化设计，可将充放电时间能大大缩短至10ps 量级，并获得可以接受的器件尺寸、功耗和消光比。高灵敏度光电探测器： 1）采用超高真空化学汽相淀积技术实现 III-V 族微纳波导结构新型探测器， 深入研究微纳图形结构下的键合技术， 结合金属表面等离激元效应及倏逝波耦合效应，研制硅基混合集成波导型探测器。 2）采用超高真空化学汽相淀积以及与硅兼容的工艺技术，创新硅基选区锗微纳结构的形成方法，制备硅基锗微纳结构探测器集成材料。 3）在此基础上通过对金属界面和等离激元对微纳结构的电场和光场的作用机理的理论研究和模拟， 设计微纳尺度内电场的可控分布，以及低压雪崩倍增的实现条件。 3）研究设计金属等离激元局域场作用下微纳结构对高密度光子非线性饱和吸收以及金属本征吸收和探测器光电吸收之间的耦合和竞争， 解决器件高速、 低功耗和高灵敏度的相互制约的兼容问题。 4）优化器件整体结构，制备出低功耗高速高灵敏度硅基混合集成微纳光电探测器。高速光交换阵列： 1）光交换阵列由光开关基本单元通过一定的级联方式构成。以 16 16 矩阵为例，若要实现完全无阻塞则需要 15 级级联， 256 个开关单元，总计光学元件数超过 1500 个，本身就是一个光子器件集成系统。 本项目拟采用可重构无阻塞的拓扑结构，大幅度减少光开关单元数量。 2）在光交换阵列的设计中，还将通过增加复合中心减小载流子的寿命， 消除载流子抽取过程中的 “拖尾 ”现象，提高速度；并通过光学结构（光波导与器件）和电学结构（调制区）的优化设计，增大光场与电场的有效交叠面积，来增强等离子色散效应 , 降低功耗。 3）优化上述方法，可将开关时间降至 10ps 量级，并大幅度降低驱动功率。 4）采用 CMOS 工艺中标准的大面积深紫外曝光技术解决上述制作工艺和大面积集成的难题。集成技术方案： 本项目研究的微纳光电子集成芯片主要由数据传输功能、交换功能和路由功能组成，采用光电并行双网络体系结构的技术方案，包括实现数据传输功能和交换功能的光传输交换网络和实现路由功能的电控制网络。1）采用硅基光电子技术，实现激光光源、调制、探测、光交换和光波导等微纳光电子器件及其集成， 形成基于胖树 /3D-TORUS 拓扑结构、源路由 /分布式路由、线路交换 /报文交换的高带宽、低延迟的光传输交换网络； 2）基于硅基电技术，电控制网络采用带内信令、源路由、数据缓冲、线路交换方式、光交换电控制等。实现光传输网络和电控制网络的功能融合和协同工作，优化光传输交换网络的微纳光电子器件的技术指标和最佳数据单元长度，确定光传输网络和电控制网络的实现技术，提高光传输交换网络和电控制网络的整体性能； 3）建立大规模光电集成的多场耦合仿真模型，优化微纳尺度光、电、热、力的传导耦合与隔离。本课题将研究和实现微纳光电子集成芯片中最关键的微纳光电子器件和集成技术。包括微纳激光器、微纳硅基探测器、微纳硅基调制器和微纳硅基 16X16 光交换阵列等，将近 2000 个新型微纳光电子器件实现集成，构成超计算结点中两个 CPU 间数据交换的通道，达到 CPU 输出输入带宽 800Gb/s 以上， CPU 间交换总带宽不低于 12.8Tb/s 的技术指标。3、创新性与特色1)提出一种新型微纳结构激光器，通过光子晶体慢光效应缩小腔长、通过等离激元微纳结构限制横模尺寸到亚波长量级， 利用异质材料兼容技术及倏逝波耦合解决硅波导中激光输出的问题。2)采用 10100 纳米尺度的波导结构和材料界面，设计出具有强光学限制能力的硅基纳米线波导和Slot 型微纳光波导，并缩减载流子输运距离，提高调制速度。研究级联微纳光学谐振腔、 光子晶体波导等慢光结构中的群速度延迟效应，降低器件尺寸和驱动功耗。3)基于 III-V 族材料的高性能量子限制效应，实现硅基混合集成的波导型高性能探测器，基于 CMOS 工艺兼容的选区氧化SiGe/SOI，基于氧化过程中锗偏析的原理，制备硅基绝缘体上锗（GOI）选区微纳结构光电探测器集成材料；利用等离激元金属微纳结构高度局域光场下光电材料的非线性光吸收和复合纳电极对微纳结构内部电场的调制，同时实现探测器的高速和高灵敏度特性。4)利用离子注入或外延氢化非晶硅等手段引入载流子复合中心，提高载流子复合速率，缩短p-i -n 结充放电时间，使器件响应时间缩减至10ps量级。5)提出面向百亿亿次高性能计算机的超结点的硅基光交换体系结构。 降低微纳光电子器件的数量和指标要求， 减少纳米制造的难度， 并达到未来 10 年高性能计算机对超结点的性能需求。4、可行性分析本项目研究核心微纳光电子器件， 引进光子晶体与表面等离激元方面的最新成果、结合半导体外延技术与异质材料兼容技术，着重研究新原理、新结构、纳米工艺，缩小器件尺寸和高密度微纳光电子集成技术， 以便提高信息传输和交换速率。本项目创新点突出，参加单位优势明显，具有领先的研究工作基础。具体的可行性分析如下：微纳结构激光器 ：作为微纳光电子集成芯片中的核心器件， 其硅基集成和小型化一直是研究的热点， 课题针对这两个问题， 提出将光子晶体慢光效应和等离激元结合解决小型化问题， 通过键合及消逝场耦合解决硅基集成问题。 在光子晶体激光器及等离激元研究方面我们在国内处于领先水平： 1）中科院半导体研究所国内首次研制出光子晶体微纳腔面发射激光器，可工作于 850nm,1550nm 等波段；国际上首次研制出光子晶体微腔边发射激光器及可调边发射激光器，调谐范围达 40nm 以上，腔长 10 微米；自行研制的键合设备可以实现 Si/InP,Si/GaAs 等多种异质材料高质量键合。 2）南京大学首次提出了双共振的纳米激光器， 可以同时实现入射泵浦光的共振与输出激光的共振， 从而可以大大降低激光产生的阈值，提高输出效率。半导体所和南京大学都拥有国内一流的实验条件。微纳结构调制器：本项目拟对调制器的电学结构与光学结构两个方面进行优化，提高硅基微纳结构电光调制器的整体性能。反向 PN 结构的 MZI 电光调制器的速率高， 但动态消光比低。 而 PIN 结构的调制器的速度只有 10Gb/s，但消光比 可以 达到 9dB 。 我 们 提出 的结构兼 有两 者的 优 。 调制 器拟 采用 Mach-Zehnder Interferometer 光学结构，并辅助以级联谐振腔、光栅、光子晶体波导等慢光波导结构，降低光信号的群速度，增强光场与载流子的有效耦合强度。研究表明，光子晶体慢光波导可在 20nm 的带宽内将群折射率提高到 20 以上。因此，利用慢光波导制成的MZI 调制器将具有紧凑的尺寸和灵敏的电光响应，可以大幅提升调制器的调制效率，降低驱动功耗。我们已经全面掌握了高速硅基调制器的整套加工工艺，摸索出 10nm 级电子束曝光与 ICP 刻蚀等核心制作工艺， 套刻误差低至 40nm，制作的硅基微纳波导的传输损耗约为 2.7dB/cm，同光纤的耦合损耗 端面， 弯曲损耗为0.05dB。调制器最高调制速率达到11.9Gbit/s。 我们已经建立起12.5Gb/s 的高频测试系统，成功地进行了 12.5Gb/s 的信号传输测量。在国内开展了基于标准 CMOS 生产线的硅基光调制器制备工作，实现了硅基光子器件在大规模制造中的工艺、结构标准化。 团队在硅基微纳结构器件制作工艺和高频测试方面积累的丰富经验，为本课题的开展奠定了坚实的基础。微纳结构探测器： 硅基锗探测器的响应度、 带宽和功耗之间互相制约，不能同时达到微纳光电子集成芯片正常工作的要求。本项目将主要通过 III-V 族波导型探测器与硅的混合集成， 来实现满足互联芯片要求的高性能探测器， 同时通过外延生长和氧化 SiGe/SOI 组份偏析新方法，在硅基上制备出硅基选区锗微纳结构材料；原理上利用等离激元局域光场的非线性吸收效应和金属纳米电极结构对器件内部电场的调控，以达到同时提高器件的响应速度和响应度， 突破现有探测器的参数之间相互制约的难题。率先在国内制备出高质量 III-V 族波导探测器， 探测响应超过 0.3A/W ，在国际上报道了系列硅基长波长微腔型光电探测器， 引起学术界同行的高度关注， 两次被撰文在新闻栏目中报道并被写入两本英文专著中。 提出的长程等离激元光波导及其能量耦合解析表达式，被收入剑桥大学出版社最近出版的研究生教课书中。在已有的工作基础上，通过原理、材料和器件结构的创新，精心组织设计，有望在硅基混合集成探测器的结构创新和性能上取得突破， 推动纳米尺度新效应在器件中的应用，完成项目提出的研究目标。硅基异质集成工艺： Si 是最成熟的微电子材料和良好的光波导材料，但其本身的间接带隙特性决定了它的发光效率极低。目前长波长的发光器件、 光接收器件的有源区通常是由磷化铟 (InP)系材料制作的，而 Ge 材料制成的光电探测器性能优异，因此 Ge、 III-V 族和 Si 材料混合集成将是制作微纳光电子集成芯片的重要手段。利用低温键合和外延生长等方式可将Ge 和 III-V 族材料在硅上集成，能够有效地将电路和发光器件、光接收器件集成在一起。硅基微纳光电阵列器件制备与集成工艺：目前已利用本单位的工艺条件分别实现了1616 硅基光开关矩阵和响应时间100ps 量级的硅基光开关 /调制器。另外，本研究组在国内首次探索了基于标准CMOS 工艺线的硅基光子器件集成制造技术，依托中芯国际的 0.18 mCMOS 制程率先实现了弯曲波导、多模干涉仪、马赫 -曾德干涉仪、倒锥 /光栅型耦合器、微环 /微盘谐振器等多种光子器件在同一个 SOI 基片上的大规模制备与集成，基本解决了多种光子器件之间、光学结构和电学结构之间的工艺相容性问题，为光交换阵列的研制打下了坚实基础。中科院半导体所集成中心具有全套半导体加工设备：拥有线宽精度可达10nm 量级的Raith150 电子束曝光系统以及专门用来刻蚀Si 和 SiO2 的 ICP刻蚀设备，同时还拥有离子注入、磁控溅射、 PECVD 等设备。厦门大学有超高真空化学汽相淀积 （UHVCVD ），ICP 刻蚀设备， XPS，TEM 等微结构表征设备，以及完整的硅工艺线。 国防科技大学拥有国内最先进的系统级微纳光电子集成芯片测试套设备。 这些设备能够进行 10nm 量级的微细加工和测试， 从而实现纳米尺度的硅基光子集成。5、课题设置课题 1 ： 微纳结构硅波导输出混合集成激光器的研究预期目标：1)基于光子晶体、等离激元、量子阱复合体系的物理分析模型，建立四维时空并行仿真平台，用于新型微纳激光光源的分析与设计；2)揭示基于特殊表面处理的低温键合技术中的物理化学机制，进行键合界面及附近光学与电学特性的科学表征；3)设计出光子晶体慢光效应及等离激元互作用机制下的边发射硅基混合集成激光器。倏逝场耦合硅波导输出，输出波长1.3 m 或 1.5 m，输出功率达到mW 量级；4)发表高水平论文60 篇，申请专利20 项，培养博士后2 位，研究生30名。主要研究内容：该课题将通过对微纳结构光子晶体及等离激元效应的深入研究， 从本质上揭示波色及费米量子态间的各种相互作用、 耦合机理，发掘电子量子受限体系的受激辐射增强及自发辐射抑制机制，研究异质材料体系间的键合与兼容原理和技术。基于新机理设计新型亚波长模场尺寸微腔混合集成边发射激光器， 基于倏逝场效应实现硅基高效耦合输出，具体研究内容为：1)研究纳结构光子晶体高对称点的特殊色散效应； 研究纳结构光子晶体慢光效应对模式场振荡及传输的影响； 研究纳结构等离激元电磁共振对模场的局域增强效应；研究包含纳结构光子晶体、 金属纳米结构及量子受限结构在内的复合体系中电子、光子相互作用机制。2)运用电磁学、量子力学基本原理，结合玻尔兹曼分布规律、粒子数守恒、能量守恒建立微纳体系下的仿真模型，研究如何基于并行计算技术， 解决四维时空体系中存在的大规模运算问题。3)基于自建仿真平台设计结合光子晶体和纳米金属结构的新型亚波长尺度激光器，分析光子晶体效应与等离激元对振荡条件、动态特性、 模式转换机理和近远场特性的影响。4)研究异质材料物理特性对键合界面兼容性的影响。研究界面。开展低温晶片键合技术研究， 研究键合晶片对的热处理过程，以通过低温退火达到强的键合的目的。实现在低温下键合，在低的温度下热处理，保持高的界面能，高的机械强度，使键合后材料的电学和光学性能不受影响,研究图形键合技术。5)研究复合材料体系下的纳米尺度结构的加工技术，包括超薄层金属材料生长、百纳米以下尺度的图形形成技术、深刻蚀技术等。经费比例：35%承担单位：中国科学院半导体研究所、南京大学、国防科学技术大学课题负责人：郑婉华学术骨干：袁晓东、刘辉、朱志宏、渠红伟课题 2 ： 硅基微纳波导结构高速低功耗光调制器的研究预期目标：1)摸索出硅基微纳调制器的优化集成工艺， 掌握对微纳结构调制器精确控制的方法，并希望最终达到与 CMOS 兼容的低成本、高成品率的实用化水平；2)揭示各种调制器结构中的电光相互作用机制以及影响器件性能的各种因素。建立起一套完整的硅基微纳结构电光调制器的分析与模拟方法；3)制作出低温度敏感性的高速低功耗电光调制器，指标达到：速度 25Gb/s，动态消光比 5dB，尺寸 0.5mm 2mm；4)发表高水平论文论文50 篇，申请中国发明专利20 项，培养博士后1-2位，研究生 25 名。主要研究内容：该课题将通过微纳光电集成系统中的高效物理信息转换机制的深入研究， 研究片上光互连网络中信息转换的各种机理及其影响因素。 基于新型硅基微纳电光结构，研制出高速低功耗的硅基调制器，具体研究内容分为：1)研究新型的微纳光波导结构中载流子与光场的互作用机制， 利用硅纳米线波导、光子晶体波导、纳米 slot 波导等新型波导的强光学限制能力缩减载流子输运距离，以提升调制速度。2)研究各种新型光学调制结构的耦合方式、 Q 值、色散、相移、群折射率等特征参数与调制器功耗和速度的关联性， 探索级联微纳光学谐振腔、 光子晶体波导等慢光结构中的群折射率增强效应，利用慢光特性降低器件尺寸和驱动功耗。3)研究标准CMOS 工艺对微纳尺寸下的器件的形貌、杂质分布的影响，通过现有的商业TCAD 软件的工艺模拟，达到对器件精确控制的目的。进而通过对 CMOS 工艺的优化，改善微纳结构器件中的载流子的输运过程，从而提高器件速度，同时降低器件功耗。4)研究调制的各种电学结构，分析其调制的机理。深入研究各种调制结构中对调制效率、速度、功耗的影响因素。综合考虑这些影响因素，采取进一步的优化设计，提出新型的电光调制器结构，提高器件的整体性能。5)研究调制结构的射频特性， 利用商用软件HFSS 模拟计算，控制器件的特征阻抗、衰减常数和模式折射率。 器件与射频源的阻抗匹配， 可以使射频功率的反射减少；降低射频信号衰减，使得无用射频功率减小，从而降低功耗，提高调制效率；射频信号模式在电极中的传输速度与纳米线波导中的光学群速度相互匹配可以减小码间串扰，提高调制效率。经费比例：22%承担单位：中国科学院半导体研究所、厦门大学课题负责人：储涛学术骨干：谭满清、王辅明、伞海生、肖希课题 3 ： 硅基混合集成微纳结构高速高灵敏度光电探测器的研究预期目标：1）制备出超低位错密度硅基选区锗微纳结构探测器集成材料，位错密度小于 105cm-2；2）制备出高速高灵敏度硅基混合集成微纳波导型光电探器，指标达到：探测波长 1.31.6 m，器件响应度 0.5A/W ，带宽达到 25Gb/s，工作电压小于 5V ；3）发表高水平论文论文 40 篇，申请中国发明专利 20 项，培养博士后 2 位，研究生 20 名。主要研究内容：本课题通过对 III-V 族波导型探测器、高质量硅基锗微纳波导结构形成和金属与微纳结构相互作用机理的研究，基于 CMOS兼容工艺技术，设计制备硅 (SOI) 基混合集成高性能探测器， 探索硅基选区锗微纳波导结构探测器集成材料； 揭示纳尺度金属接触界面改性对微纳结构内部电场分布的调控机制； 探索微纳波导结构等离激元局域强场下高密度光子非线性吸收饱和， 以及金属本征吸收和探测器光电吸收的耦合竞争机制， 设计制备出新型微纳波导结构硅基锗高速高灵敏度波光电探测器，具体研究内容如下：1）研究 III-V 族波导探测器在吸收区和收集区的特殊设计，空间电荷及光生载流子的分布， 缩短空穴的扩散和漂移时间， 设计和发展消逝场耦合吸收增强波导结构，研究波导探测器倏逝波导的导波特性及模场与各结构参数的关系，研究光波从波导层到吸收层的高效耦合；利用金属限制的表面等离子增强微小体积光探测器的吸收效率实现高量子效率的光电探测；研究设计波导探测器与Si上光波导的高效耦合与键合方案。2）研究大失配材料 Ge/Si外延生长动力学过程和 SOI基 SiGe选区氧化偏析制备绝缘体上锗微纳结构的形成机理，通过探索氧化 SiGe过程中 Ge偏析和二次沉积的机制，制备出高质量硅基选区锗微纳波导结构光电探测器集成材料。3）建立纳尺度金属电极接触界面对硅基锗微纳结构内部电场调控和载流子输运模型，基于复合金属电极和探测器结构设计， 调制硅基锗微纳结构光电探测器内部电场分布，获得低偏压下雪崩倍增效应。研究纳米结构中局域光场强度、分布与光电转换效率之间的关系和规律。 基于金属等离激元效应设计微纳米波导结构中局域光子密度大小和分布， 研究高密度光子的非线性吸收饱和机理及光电转化效率规律。4）研究等离激元金属纳米结构的本征吸收和波导探测器光电吸收之间的相互关系。基于等离激元理论模型， 研究光波能量在金属等离激元纳米结构和波导探测器光电材料之间分配， 阐明金属本征吸收对光电转换效率的影响。 研究金属锗化物自对准技术制备金属包覆层锗微纳波导探测器结构。 研究金属与锗接触界面态产理和消除方法，降低器件的暗电流密度。经费比例： 18%承担单位：厦门大学、国防科学技术大学、中国科学院半导体研究所课题负责人：李成学术骨干：孙志军、叶卫民、任雪畅、孙晖课题 4 ： 硅基微纳结构 16X16 光交换阵列与光电子集成技术的研究预期目标：1) 高性能硅基光交换阵列，阵列数目为 4 4，8 8，16 16；光交换阵列的交换延迟时间 2 5ns，消光比 15dB；2）在同一个硅晶圆上完成硅基微纳光电子器件的集成，实现传输和交换通路的建立、性能的测试、功能的演示；3）提出高性能计算机CPU 间数据交换的光电并行双网络体系结构；4）发表高水平论文论文50 篇，申请中国发明专利20 项，培养博士后2位，研究生 25 名。主要研究内容：本课题通过对纳米尺度条件下， 光波导内光场模式的分布、 传导、耦合等原理的研究，基于 CMOS 兼容工艺技术，设计制备硅基纳米光波导结构及光波导集成器件。分析纳米尺度硅基材料对光波导传输模式的调控机理， 探索在纳米结构内实现光波模式调谐增强机制，研究纳米光波导结构对局域光场的调制效应。基于纳米材料结构设计硅基纳米线波导器件， 解决器件集成技术难题， 具体研究内容如下：1)研究硅纳米线波导、纳米slot 波导、硅基异质波导等新型纳米光波导的对载流子与光场相互作用的增强机制，研究高速光信号在纳米光子结构中的衰减、延迟等现象的产生机理。2)研究超高带宽低功耗的光电并行双层体系结构，分析微纳光子器件的色散、非线性、衰减、增益等劣化集成系统性能的关键因素。3)研究无阻塞和重排无阻塞的拓扑结构，优化结构设计和制造技术的兼容性，使开关数和波导交叉最少、交换延迟最短。4)研究多种硅基微纳光子功能器件的集成方法，研究有源与无源光子器件间的纳米耦合结构和高效耦合机理，建立多场耦合联合仿真模型。5)研究与 CMOS 兼容的纳米精度多层套刻曝光等硅基工艺，利用低温硅基异质键合等技术，开展硅基微纳光电子器件与集成的制备技术研究。经费比例： 25%承担单位：国防科学技术大学、中国科学院半导体研究所课题负责人 ： 窦强窦文华学术骨干：肖立权、李智勇、王永文各课题间的有机联系及与项目总体目标的关系针对高性能计算等国家重大战略需求，在已有研究工作基础上继续深入研究纳米光电子结构体系中的耦合、 传输与共振机理等关键科学问题， 构建高性能计算机超结点架构及其对高性能光电子集成芯片的需求， 同时还开展前瞻性应用基础研究。研究面向高性能计算机超结点中的光传输交换系统， 探索微纳光电子器件和集成技术。围绕系统必需的发光、调制、传输、交换、探测、耦合与集成等关键器件及技术，着重开展 4 个方面的研究：微纳结构新型硅基混合集成激光器、硅基微纳结构高速低功耗电光调制器、 基于微纳结构的硅基低偏压雪崩倍增高速光电探测器、 硅基微纳结构 16 16 光交换阵列与光电子集成技术的研究。 本项目的研究力争开辟出纳米材料、 光电子器件、 新技术应用的交叉学科生长点， 培养相关的人才队伍。 四个课题完全是为了实现总体目标而设 臵的，并针对整个项目的研究内容而开展具体工作， 解决三个核心科学问题， 从下图可见他们之间的完整性和关联性。图 3课题设置综上所述，项目共设 臵了 4 个课题，课题研究内容既相对独立、又相互联系，科学问题和技术途径等方面还有交叉覆盖， 因此项目内各课题的目标和内容是一个有机的整体。 项目组将在今后五年内， 围绕面向高性能计算等应用目标的关键微纳光电子器件开展深入研究，力争取得国际先进水平的重大创新成果、圆满完成预期目标。四、年度计划研究内容预期目标1）针对第一关键科学问题开展纳米1）建立等离激元光波导理论模型和光电子结构体系中的光电耦合、 传输模拟方法，揭示金属等离激元增强光与共振机理研究，集中于光子晶体、电探测器光电转换效率的物理机理。金属纳米结构及量子受限结构在内2）揭示硅（ SOI）基 SiGe 氧化机理，的复合体系中电子、光子相互作用机优化硅基锗材料制备工艺流程， 初步制。运用电磁学、量子力学基本原理，制备出高质量硅基（ SOI）锗微纳波结合玻尔兹曼分布规律、粒子数守导结构材料。恒、能量守恒建立微纳体系下的仿真3）完成适于混合硅激光器的三维仿模型。研究如何基于并行计算技术，真平台建设，并完成单纵模混合硅激解决四维时空体系中存在的大规模光器的设计；初步建立硅基调制器设运算问题。计平台，并分析光学结构、 电学掺杂2）针对第二关键科学问题纳米光电对调制器性能的影响，优化器件结构第子集成系统中的高速宽带光电转换参数。机制，开展高速硅基调制理论研究，4）实现硅 /InP 低温异质键合，键合一温度低于 350C,尺寸不小于重点突破微纳尺度下的光电输运和互作用机理，研究级联光学微腔对调10mm10mm。年5）实现 100nm量级尺度的硅光子波制速度和功耗的改善作用， 结合多种数值模拟方法初步建立对调制器光、导，完成光子波导结构的实验室制电学结构的综合设计平台。备。3）在机理研究基础上对微纳激光器6）得到符合光交换网络光学特性和和调制器、光开关阵列及探测器等波要求的优化的胖树类拓扑结构， 得到导型结构器件进行理论设计。该拓扑结构对光交换网络微纳光电4）针对第三关键科学问题开展异质子器件的集成密度、 功能、性能、尺键合工艺。研究硅基锗材料外延生长寸、功耗等要求。动力学过程，在硅基上外延出高质量7）发表文章 30 篇，申请专利 12 项，的锗和 SiGe 材料。研究 SOI 基 SiGe培养学生 13 名。材料氧化机理，通过氧化工艺的探索，制备出绝缘体上锗微纳结构材研究内容预期目标料。5）超高带宽低功耗的光电并行双层体系结构的研究，研究无阻塞和重排无阻塞的拓扑结构，进行光交换网络胖树类拓扑结构研究。继续针对三个关键科学问题开展深入研究。1) 基于自建仿真平台设计结合光子晶体和纳米金属结构的新型亚波长尺度激光器，分析光子晶体效应与等离激元对振荡条件、 动态特性、模式转换机理和近远场特性的影响。2) 研究异质材料物理特性对键合界面兼容性的影响。在上一年基础上开展 SOI/InP 基外延片的图形低温晶第 片键合技术研究，研究键合晶片对的热处理过程。二 3) 研究复合材料体系下的纳米尺度结构的加工技术，包括超薄层金属材年料生长、百纳米以下尺度的图形形成技术、深刻蚀技术等。4）在基本的调制器光学结构设计基础上，在工艺上集成制作调制器光学结构及高速控制电学结构， 初步完成高速硅基调制器的原型设计与制备。建设电光测试平台，并对制作的调制器器件进行基本电光控制传输测试，取得特征参数。5）开展相关于III-V族波导探测器的各单项工艺研究，优化掺杂分布，1)揭示基于特殊表面处理的低温键合技术中的物理化学机制， 进行键合界面及附近光学与电学特性的科学表征。2）实现在低温下SOI/InP 基外延片的图形低温晶片键合，在低的温度下热处理，保持高的界面能， 高的机械强度，使键合后材料的电学和光学性能不受影响。实现键合温度低于350C，尺寸不小于 10mm 10mm。完成混合硅基激光器的工艺流程和工艺制备。3）完成高速硅基调制器原型制备，实验实现 12.5Gbps 高速调制功能。4）完成波导探测器制备，实现探测器大于 10Gbps的速率。5)实现硅（ SOI）基选区锗微纳结构材料的制备，材料的位错密度达到 1e5cm-2 以下，揭示等离激元局域场作用下半导体微纳波导结构对高密度光子非线性吸收饱和机理。6）实现 10ps 量级的载流子响应机理分析和建模。7）完成光交换网络胖树类拓扑结构研究内容改善电极结构，设计器件版图， 确定完整工艺流程6）优化硅基锗材料制备工艺，结合图形刻蚀和 SiGe 氧化工艺，制备选区硅基（ SOI）锗微纳结构材料，降低锗材料位错密度，达到可用于探测器的目标。研究金属与锗接触界面微结构改性，界面态钝化和势垒高度调制机理和技术，从而降低接触电阻和串联电阻，减小界漏电流。研究等离激元局域场作用下半导体锗微纳波导结构 对高密度光子非线性吸收饱和机理。7）进行光交换网络的交换策略研究，继续研究无阻塞和重排无阻塞的拓扑结构。预期目标研究。优化拓扑结构和制造技术的兼容性，使光开关数和波导交叉最少、交换延迟最小。8）发表高水平学术论文45 篇，申请申请专利 18 项，培养研究生22 名。1)深入研究光子晶体效应与等离激1)实现边发射硅基混合集成激光器。元对微纳结构激光器的性能影响， 重倏逝场耦合硅波导输出， 输出波长在点是单纵模的实现问题； 深入研究倏1.3 m 或 1.5 m 波段。逝场耦合对激光器模式、 阈值及效率2）实现 20Gbps的高速调制。第的影响。研究单纵模，高输出效率混3)研制成功III-V 族波导结构探测合硅基微纳激光器的工艺实现。 开展器，响应波长1.3-1.6um,在 1.55um三激光器与后端波导器件耦合研究。处响应度达到0.3A/W 以上，响应速2）对调制芯片的工作速度、带宽和率大于 15 Gbit/s 。年功耗等技术指标进行全面测试和细4）设计出锗微纳波导结构探测器，致分析，对已经达到课题要求的指揭示微纳结构获得局域高电场的机标，分析进一步提高的潜力和可行理，在低于 5V偏压下观测到雪崩倍性，对尚未到达预期值的指标， 分析增效应。原因，并提出初步解决思路。 建立调5）采用 CMOS 集成技术实现硅基研究内容预期目标制器等效电路模型并提取关键参数，提出器件结构和工艺的改进措施。3）研究双内电极结构及共面波导传输线，深入研究并了解制约波导探测器带宽和响应度的各种因素4）探索在微纳波导锗探测器结构内实现低压雪崩倍增效应的机理和工艺条件。研究设计高速硅基锗微纳波导结构探测器，设计波导型探测器结构实现载流子输运和光传播吸收的解耦合，降低器件的渡越时间和 RC 延迟时间，减小器件内部载流子扩散引起的时间延迟。5）研究多种硅基微纳光子功能器件的集成方法；