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硅基光电异质集成是光电集成芯片的未来

21世纪是大数据、云计算时代。半个世纪以来，微电子技术大致遵循着“摩尔定律”快速发展，人们对信息传输和处理的要求越来越高。随着信息技术的不断拓宽和深入，芯片的制成工艺已减小到10nm以下，但由此带来的串扰、发热和高功耗问题成为微电子技术难以解决的瓶颈。后摩尔时代的微电子芯片制程技术路线可分为继续优化互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺的“延续摩尔”（moreMoore）路线、利用先进封装技术实现系统级封装的“扩展摩尔”（morethanMoore）路线和通过新材料新器件实现的“超越摩尔”（beyondCMOS）路线。相比于“延续摩尔”路线对于半导体先进设备的依赖和巨大投入，通过光电异质集成技术实现芯片间及芯片内光互联可有效解决微电子芯片目前金属互联的带宽、功耗和延时等问题，是对现有微电子芯片的重要拓展。同时，通过光电异质集成多种材料也可制作新一代信息器件（如光量子集成芯片），是信息产业实现扩展摩尔和超越摩尔技术路线的重要领域。

硅基光电子集成技术（简称“硅光技术”），通过传统微电子CMOS工艺实现光电子器件和微电子器件的单片集成，是研究和开发以光子和电子为信息载体的硅基大规模集成技术。图1为硅基光电子集成芯片的概念图，该芯片由光源、调制器、光波导、探测器及电路芯片构成，由激光器产生光信号并通过调制器和探测器实现高速电信号与光信号的收发。目前，硅光技术主要采用基于SOI（绝缘衬底上硅）衬底的制造平台，已能实现探测器与调制器的单片集成。然而硅基光电子集成芯片的性能受限于硅材料本身的光电性能，仍存在无法高密度集成光源、集成低损耗高速光电调制器等问题。因此，利用不同种材料发挥其各自光电特性优势的硅基光电异质集成技术近年来发展迅速。硅基光电异质集成技术不仅拥有硅材料可大规模CMOS制造的特点，同时充分发挥不同材料的优异光电特性，可实现传统硅光技术无法媲美的器件指标，进而实现真正意义上的硅基光电子单片集成系统。本文将对该领域国内外发展现状做简要介绍，同时对未来该方向的发展进行展望。

图1硅基光电子集成芯片概念图

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硅基光电异质集成技术路线及发展

硅基光电异质集成技术路线

相较于微电子领域集成电路的飞速发展，光电子领域的集成化道路显得阻碍重重。自从Soref20世纪80年代末期最早提出硅光技术以来，虽然无论在器件性能、集成度还是应用方面都有了众多突破性进展，但至今仍有很多主流光模块厂商依然采用光电器件分立封装的形式，主要原因是受限于硅材料本身的光电性质。例如，硅材料间接带隙的能带结构使得它无法实现高效率的片上光源，线性光电效应（Pockels效应）限制了调制器的速度。图2列举了目前各种材料体系所对应的优势光电器件，如Ⅲ-Ⅴ族材料制作的激光器光源、单光子源、调制器，Ge（锗）材料制作的探测器，LiNbO3（铌酸锂）材料调制器，磁光材料YIG（钇铁石榴石）光隔离器，二维材料调制器，SiN（氮化硅）材料制作的宽谱低损耗光波导等。其中，对于光通信应用，Ⅲ-Ⅴ族材料制作的光源、LiNbO3制作的调制器和YIG材料制作的隔离器相比于硅基器件具有无法比拟的优势。因此，实现真正意义上大规模光电集成芯片的产业应用，需要依托硅材料与不同种类光电材料的异质集成，以充分发挥各种材料的优异特性。

图2可以用于硅基光电异质集成的材料体系及光电器件

通过多年研发努力，目前硅光领域已实现了多种光电器件的硅基集成，如各种硅基无源器件（波导、合分波器）、锗硅探测器、硅调制器，在一定程度上可以满足目前Gbps以下速率光模块的应用。但是，光源技术仍是硅光芯片无法攻克的技术难题，必须采用异质集成。因此，本文以光源为例展开对异质集成各技术路线的讨论。图3展示了目前硅基光电异质集成领域的多种技术路线，从左到右的技术方案集成度由低到高，技术成熟度由高到低。

图3硅基光电异质集成技术路线

1.片间混合集成技术。其与目前产业化应用最广泛的透镜耦合最为接近，但本质上还属于微封装技术，在多个光源耦合的应用中需要耗费大量时间在精密耦合对准工艺上，同时无法进行大规模光源的集成；目前有部分光模块公司采取该方案制作硅光产品。

2.片上倒装焊技术。通过将制备好的激光器芯片进行倒装焊集成到硅光芯片上，解决了可以集成光源的问题。但硅光芯片需要刻蚀开槽精确控制激光器耦合高度，同时仍需要解决高精度耦合问题，因此产业中该方案也没有得到应用。

3.片上键合异质集成技术。最早由美国加州大学圣芭芭拉分校JohnBowers课题组提出，通过键合Ⅲ-Ⅴ族外延材料到已加工好的硅光晶圆上然后通过后工艺制作Ⅲ-Ⅴ族有源器件。该技术可实现Ⅲ-Ⅴ族材料与硅光芯片的大规模集成，但开发难度大，产品良率难以控制；目前只有美国Intel公司实现了该技术路线的量产。

4.片上直接生长异质集成技术。通过在已制作好的硅光晶圆上开槽，利用选区外延的方法生长Ⅲ-Ⅴ族材料，随后通过Ⅲ-Ⅴ族工艺制造光源。该种方法类似键合异质集成的流片过程，但不需要复杂的芯片到晶圆键合（dietowaferbonding）工艺，是最接近于CMOS集成工艺的异质集成技术。该技术虽然适合晶圆级大规模量产工艺，但对硅基Ⅲ-Ⅴ族外延技术有着很高的材料生长要求，需要解决一系列诸如硅基异质材料外延、片上光源耦合及片上光源老化等难题；目前该技术仍处于学术研究阶段。

国际研发现状

近10年来，硅基光电子集成的关键材料和器件研究引起了科学界和工业界的广泛

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