硅基光子学国内外研究现状及发展趋势

专题报告-1

硅基光电子学（光子学）研究概况

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2007年6月

硅基光电子学研究概况

编者按：本文介绍了硅基光电子技术的研究现状、重点研究方向、技术难点以及国内外主要研究机构的基本情况。希望能为我所学科布局的发展提供一些参考。

一、技术概述

硅基半导体是现代微电子产业的基石，但其发展已接近极限。而光电子技术则正处在高速发展阶段，现在的半导体发光器件多利用化合物材料制备，与硅微电子工艺不兼容，因此，将光子技术和微电子技术集合起来，发展硅基光电子科学和技术意义重大。近年来，硅基光电子的研究在国内外不断取得引人注目的重要突破，世界各发达国家都把硅基光电子作为长远发展目标。

硅基光电子学包括硅基光子材料、硅基光子器件和硅基光子集成三个主要方面。分别介绍如下：

1. 硅基光子材料

（1）硅基纳米发光材料

目前的研究重点是如何有效地控制硅纳米晶粒的尺寸和密度，以形成具有小尺寸和高密度的有序纳米结构。制备方法有：通过独立控制固体表面上的成核位置和成核过程实现自组织生长；在掩蔽图形衬底上的纳米结构生长；扫描探针显微术的表面纳米加工；全息光刻技术的纳米图形制备以及激光定域晶化的有序纳米阵列形成等。

（2）硅基光子晶体

光子晶体具有合成的微结构、周期性变化的折射率以及与半导体潜在电子带隙相近的光子带隙。根据能隙空间分布的特点，可以将其分为一维、二维和三维光子晶体。光子晶体的实际应用是人们所关注的焦点，而与成熟的硅工艺相结合是人们非常看好的方向，可出现全硅基光电子器件和全硅基光子器件，因此制备硅基光子晶体及其应用将是以后的研究重点。在所有光子晶体制备方法中，运用多光束干涉的全息光刻法有着许多优点：通过照射过程能够制成大体积一致的周期性结构，并能自由控制结构多次。通过控制光强、偏振方向和相位延迟，制成不同的结构。

2. 硅基光子器件

（1）硅基发光二极管

作为硅基光电子集成中的光源，硅基发光二极管（Si-LED）的实现是硅基光电子学研究中的一个主攻方向。目前的研究重点有：如何采用适宜的有源区材料，实现其高效率和高稳定度的发光；从器件实用化角度考虑，如何实现Si-LED在室温下的电致发光。研究人员已尝试了三种硅基纳米材料用于高效率Si-LED的制作，即硅纳米量子点，高纯体单晶硅和掺Er3+的硅纳米晶粒。目前报道最好的结果是韩国科学家研究的由镶嵌在SiNx膜层中的硅纳米量子点所制成的电致发光LED，室温下的外量子效率可高达1.6%。

（2）硅基激光器

目前，人们已初步提出了三种能产生光增益或受激辐射的增益介质材料，即具有高密度和小尺寸的有序硅纳米晶粒，基于内子带跃迁的硅/锗量子级联结构和具有受激喇曼散射特性的绝缘硅（SOI，Silicon-On-Insulator）光波导结构。2005年2月17日的《Nature》杂志上报道了Intel公司利用喇曼效应研制出了世界上第一台连续光全硅激光器。

（3）硅基光探测器

硅基光探测器是硅基光电子集成中的光信号接收器件，它应具有良好的光响应特性，较高的探测灵敏度，小的暗电流和宽频带等优点。由麻省工学院材料科学与工程系研制的Ge-PIN光探测器，在1310nm、1550nm、1620nm波长的响应率分别为：600mA/W、520 mA/W、100 mA/W。该探测器能够覆盖光通信整个C band和大部分L band范围，具有2.5GHz的3dB 带宽，在1310nm和1550nm的性能能够和目前用于通信的商用铟镓砷（InGaAs）探测器相比拟。

（4）硅基光调制器

光调制器是利用材料折射率的变化，对传输光的相位和波长进行调制的光波导器件。由于硅材料不具有线性光电效应，所以一般硅基光调制器和光开关是基于硅的热光效应和等离子色散效应而设计的。2004年2月，Intel率先在享有很高声誉的《Nature》科学杂志上宣布他们研制成功了Gbit/s的硅光调制器。仅过了一年，Intel的研究员证实他们的光调制器的传送速率已经达到10Gbit/s。

3. 硅基光子学集成

虽然目前还没有研制出硅光电子集成芯片，但研究人员已提出了两种可供参考的集成方案：光电混合集成和单芯片集成。但硅基光子集成工艺却有着很大难度，这是因为：光子器件和电子器件的结构复杂，两者在结构设计上存在着能否相互兼容的问题；制作工艺繁杂，因而存在着各种工艺和前后工序之间能否相互兼容的问题；电互连、光互连与光耦合等问题。结构设计与制作工艺的相容性问题则是能否实现硅基光子集成的关键所在。

二、国外主要研究机构及研究状况

1. 美国哥伦比亚大学纳米光学实验室（Optical Nanostructures Laboratory）

美国哥伦比亚大学纳米光学实验室（Optical Nanostructures Laboratory）通过与产业伙伴的合作，当前正在进行高密度、高性能的光电集成电路实验。目标是利用CMOS已经成熟的技术，在同一硅片上实现多种光电功能。他们的目标是设计、制作并测试最小光学损耗的核心光子元件，并进行带宽和纳米光电器件试验。这种高性能的光电集成电路将有着特定用途。

在哥伦比亚大学，硅光子研究小组在SOI平台上进行光子学集成方面的设计、数值模拟、制造和性能分析。小组的目标是：在硅基平台上进行有源和无源光学特性的论证，例如：光的产生、控制、传播和探测。他们正从事横截面积小于0.1mm2波导器件的研究。这种超小的截面将有以下好处：（1）小的截面能够提高介质的非线性响应，从而可以使用低功率的激光器；（2）这种器件能够减少光生载流子的寿命，这样，自由载流子的吸收将大大减少；（3）小的截面增加了传播的可能性。在纳米级波导制作方面研究小组将和IBM公司T.J.Watson 研究中心的Vlasov和McNab两位博士合作。该小组的研究方向有：喇曼放大器、C波段波长转换器、磁光单向移动隔离器、快速低功耗热光开关、脉冲调制受激喇曼散射理论研究。

2. 加拿大国家研究院（NRC）微结构科学研究所（Institute for Microstructural Sciences National Research Council of Canada）

利用物理和生物科学交叉的优势，NRC-IMS（加拿大国家研究院微结构科学研究所）在与产业和高校合作上处于领先地位，与未来硬件需求相关新技术（信息处理、传播、存储和显示等）的开发具有明显优势。

NRC-IMS与加拿大产业合作的战略也使他们在全球IT产业中所需新技术方面居于统治地位。NRC-IMS产业合作伙伴通过研究提高技术，通过有选择的投资技术降低产业化的风