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

起止年限：依托部门：电子器件及其集成技术研究

郑婉华 中国科学院半导体研究所 2012.1至2016.8 中国科学院

首席科学家：

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 …… 此处隐藏：1767字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……