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(shì)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(diǎn)，但由于光子器件和電子器件無(wú)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(shí)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(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，必將成為制作光電子芯片和解決電互連問(wèn)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(jì)算機(jī)科學(xué)、微細(xì)加工技術(shù)、現(xiàn)代化學(xué)等方面的進(jìn)步，同時(shí)它的進(jìn)展又極大地促進(jìn)了相鄰學(xué)科的交叉和持續(xù)發(fā)展。眾多的科研機(jī)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(kāi)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(guò)將光發(fā)射器、光波導(dǎo)／調(diào)制器、光電探測(cè)器及驅(qū)動(dòng)電路和接收器電路等模塊制作在同一襯底上而實(shí)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(duì)工藝進(jìn)行微小的修改，從而實(shí)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(wèn)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(shí)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(duì)光具有較強(qiáng)的限制作用，有利于對(duì)光的傳輸方向進(jìn)行控制，其轉(zhuǎn)彎半徑只有微米量級(jí)，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(diǎn)。此外，基于硅襯底的鍺硅集成電路工藝也有利于實(shí)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(bǔ)了硅探測(cè)器無(wú)法吸收長(zhǎng)波長(zhǎng)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(wèn)題仍是研究中的最大難點(diǎn)，如何提高電光轉(zhuǎn)換效率，研制適于進(jìn)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(jìn)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(cè)器/接收器的進(jìn)展比較快，提高探測(cè)度和響應(yīng)速度是研究的重點(diǎn)。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(duì)信息領(lǐng)域的發(fā)展起到推動(dòng)作用，從而實(shí)現(xiàn)全硅光互連和全硅光電子集成芯片，開(kāi)創(chuàng)硅基光學(xué)信息時(shí)代。