單片光電子集成技術(shù)

單片集成就是在將集成電路和光電子器件制作在同一材料上，將微電子與光電子技術(shù)的優(yōu)勢相互結(jié)合，以期達(dá)到最佳性能。單片集成的光電子集成回路具有結(jié)構(gòu)緊湊、器件一體化、集成度較高等特點，但由于光子器件和電子器件無論是材料和器件結(jié)構(gòu)方面，還是在制作工藝方面差異都非常大，實現(xiàn)光子器件和電子器件在材料、結(jié)構(gòu)和工藝等都具有很好的兼容性還需要大量的研究工作。

利用硅作為基本材料，采用成熟的標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝制作光電子器件和光電子集成回路，在成本上和工藝成熟度上具有無可比擬的優(yōu)勢，必將成為制作光電子芯片和解決電互連問題的首選方案。硅基光電子器件和單片集成芯片的發(fā)展得益于材料科學(xué)、計算機科學(xué)、微細(xì)加工技術(shù)、現(xiàn)代化學(xué)等方面的進步，同時它的進展又極大地促進了相鄰學(xué)科的交叉和持續(xù)發(fā)展。眾多的科研機構(gòu)在與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的硅基光學(xué)器件方面開展了廣泛而深入的研究工作，已經(jīng)取得了顯著研究成果，許多關(guān)鍵技術(shù)獲得重大突破。硅基光電子集成回路是通過將光發(fā)射器、光波導(dǎo)／調(diào)制器、光電探測器及驅(qū)動電路和接收器電路等模塊制作在同一襯底上而實現(xiàn)了單片集成。所有器仵均采用標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝制備，或是僅僅對工藝進行微小的修改，從而實現(xiàn)全光互連與超大規(guī)模集成電路的單片集成，易于大規(guī)模生產(chǎn)。與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的硅基光電子集成回路研究為克服電互連芯片內(nèi)部串?dāng)_、帶寬和能耗等問題提供了有效的解決途徑。

硅和二氧化硅之間具有較大的折射率差，有利于實現(xiàn)小尺寸低損耗的脊形波導(dǎo)。大折射率差的脊形波導(dǎo)對光具有較強的限制作用，有利于對光的傳輸方向進行控制，其轉(zhuǎn)彎半徑只有微米量級，因此能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊的集成光電子器件。例如在sol襯底上制作的環(huán)形諧振腔半徑可以達(dá)到6μm，該結(jié)構(gòu)的調(diào)制器具有速度快、調(diào)制效率高和尺寸小等優(yōu)點。此外，基于硅襯底的鍺硅集成電路工藝也有利于實現(xiàn)光電子器件的單片集成。鍺和硅也具有較大的折射率差，同樣可以形成優(yōu)質(zhì)波導(dǎo)。更為重要的是鍺的禁帶寬度窄能吸收通信波段的光，彌補了硅探測器無法吸收長波長光的不足。將SOl襯底和鍺硅集成電路工藝相結(jié)合，有望成為單片集成光電子技術(shù)研究的方向之一。

硅基光源問題仍是研究中的最大難點，如何提高電光轉(zhuǎn)換效率，研制適于進行單片集成的硅發(fā)光器件是研究的重要目標(biāo)。硅基光波導(dǎo)/調(diào)制器研究取得了突破進展，在獲得高調(diào)制速率、減小面積，以及與其他器件的集成技術(shù)方面有著很大研究空間。硅基光電探測器/接收器的進展比較快，提高探測度和響應(yīng)速度是研究的重點。單片硅基光電子集成回路的研究處于初始階段，耦合技術(shù)、匹配技術(shù)、集成技術(shù)等多方面難題有待解決。但是，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的硅基光電子器件的研究必將對信息領(lǐng)域的發(fā)展起到推動作用，從而實現(xiàn)全硅光互連和全硅光電子集成芯片，開創(chuàng)硅基光學(xué)信息時代。