硅基光電異質集成的發展與思考

王子昊 王 霆 張建軍

1 中國科學院物理研究所 北京 100190

2 松山湖材料實驗室 東莞 523808

1 硅基光電異質集成是光電集成芯片的未來

21 世紀是大數據、云計算時代。半個世紀以來，微電子技術大致遵循著“摩爾定律”快速發展，人們對信息傳輸和處理的要求越來越高。隨著信息技術的不斷拓寬和深入，芯片的制成工藝已減小到 10 nm 以下，但由此帶來的串擾、發熱和高功耗問題成為微電子技術難以解決的瓶頸。后摩爾時代的微電子芯片制程技術路線可分為繼續優化互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝的“延續摩爾”（more Moore）路線、利用先進封裝技術實現系統級封裝的“擴展摩爾”（more than Moore）路線和通過新材料新器件實現的“超越摩爾”（beyond CMOS）路線。相比于“延續摩爾”路線對于半導體先進設備的依賴和巨大投入，通過光電異質集成技術實現芯片間及芯片內光互聯可有效解決微電子芯片目前金屬互聯的帶寬、功耗和延時等問題，是對現有微電子芯片的重要拓展。同時，通過光電異質集成多種材料也可制作新一代信息器件（如光量子集成芯片），是信息產業實現擴展摩爾和超越摩爾技術路線的重要領域。

硅基光電子集成技術（簡稱“硅光技術”），通過傳統微電子 CMOS 工藝實現光電子器件和微電子器件的單片集成，是研究和開發以光子和電子為信息載體的硅基大規模集成技術[1]。圖 1 為硅基光電子集成芯片的概念圖，該芯片由光源、調制器、光波導、探測器及電路芯片構成，由激光器產生光信號并通過調制器和探測器實現高速電信號與光信號的收發。……