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 -(3)

来源：网络收集时间：2026-03-01

导读：基于微纳技术的激光器、光探测器、光调制器、光开关等高性能光电子器件是微纳光电子集成芯片的基� １鞠钅拷浞掷贸墒斓� CMOS 工艺设计制备硅基集成微纳光电子器件，并灵活辅助硅基异质材料混合集成工艺，实现

基于微纳技术的激光器、光探测器、光调制器、光开关等高性能光电子器件是微纳光电子集成芯片的基础。本项目将充分利用成熟的 CMOS 工艺设计制备硅基集成微纳光电子器件，并灵活辅助硅基异质材料混合集成工艺，实现高性能光电子核心器件及高速、低功耗的微纳光电子集成芯片。充分融合和利用不同材料及结构的性能优势，实现不同材料和功能器件间的高效光电耦合和兼容。具体途径如下：

硅基混合集成激光器：1）利用硅基/III-V 族异质键合解决器件材料问题。要研究的关键技术是等离子体辅助低温直接键合，通过对晶片键合质量与压力、

温度、气体环境等因素之间的依赖关系的研究，揭示相关的动力学规律，深化对于晶片键合物理化学机理的认识，实现大面积、高质量图形键合。2）通过消逝场耦合解决光波的高效导入问题。3）利用光子晶体慢光波导大幅度缩短激光器的腔长。横向限制采用脊形波导与表面等离子体相结合，缩小横模尺寸，进一步减小尺寸。最终制备出低阈值，高效的适于高密度集成的微纳结构光源。

高速硅基调制器：1)本项目基于载流子色散效应来调节折射率，电学调制结构将采用 PN 二极管，通过快速的载流子反向抽取产生高速调制效应。通过重新设计杂质在微纳结构中的分布，在正向注入的结构中引入反向抽取过程中的漂移过程，从而提高注入的速度，减小信号的上升沿时间；通过增加复合中心减小载流子的寿命，消除载流子抽取过程中的“拖尾”现象，减小信号的下降沿时间，最终提高速度；利用纳米级精度的曝光与离子注入工艺缩减载流子的输运距离，增加载流子与光场的有效交叠面积。 2)采用具有高光学限制能力的硅基微纳光波导增大光场与电场的相互作用的光学结构，利用高带宽的慢光群折射率增强结构增强等离子色散效应,以提高电光调制效率。综合光电结构优化设计，可将充放电时间能大大缩短至10ps量级，并获得可以接受的器件尺寸、功耗和消光比。

高灵敏度光电探测器：1）采用超高真空化学汽相淀积技术实现III-V族微纳波导结构新型探测器，深入研究微纳图形结构下的键合技术，结合金属表面等离激元效应及倏逝波耦合效应，研制硅基混合集成波导型探测器。2）采用超高真空化学汽相淀积以及与硅兼容的工艺技术，创新硅基选区锗微纳结构的形成方法，制备硅基锗微纳结构探测器集成材料。3）在此基础上通过对金属界面和等离激元对微纳结构的电场和光场的作用机理的理论研究和模拟，设计微纳尺度内电场的可控分布，以及低压雪崩倍增的实现条件。3）研究设计金属等离激元局域场作用下微纳结构对高密度光子非线性饱和吸收以及金属本征吸收和探测器光电吸收之间的耦合和竞争，解决器件高速、低功耗和高灵敏度的相互制约的兼容问题。4）优化器件整体结构，制备出低功耗高速高灵敏度硅基混合集成微纳光电探测器。

高速光交换阵列：1）光交换阵列由光开关基本单元通过一定的级联方式构成。以 16?16 矩阵为例，若要实现完全无阻塞则需要 15 级级联，256 个开关单元，总计光学元件数超过 1500 个，本身就是一个光子器件集成系统。本项目

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