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

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10～100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①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。②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。③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。④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①基于硅基等离子色散效应，研究10～100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。②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。③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。④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①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。②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。③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。④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①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。②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。③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1.3µm或1.5µm，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≤0.5mm×2mm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