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 -(4)

拟采用可重构无阻塞的拓扑结构，大幅度减少光开关单元数量。2）在光交换阵列的设计中，还将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，提高速度；并通过光学结构（光波导与器件）和电学结构（调制区）的优化设计，增大光场与电场的有效交叠面积，来增强等离子色散效应, 降低功耗。3）优化上述方法，可将开关时间降至10ps量级，并大幅度降低驱动功率。4）采用 CMOS 工艺中标准的大面积深紫外曝光技术解决上述制作工艺和大面积集成的难题。

集成技术方案：本项目研究的微纳光电子集成芯片主要由数据传输功能、 交换功能和路由功能组成，采用光电并行双网络体系结构的技术方案，包括实 现数据传输功能和交换功能的光传输交换网络和实现路由功能的电控制网络。 1）采用硅基光电子技术，实现激光光源、调制、探测、光交换和光波导等微纳 光电子器件及其集成，形成基于胖树/3D-TORUS 拓扑结构、源路由/分布式路由、 线路交换/报文交换的高带宽、低延迟的光传输交换网络；2）基于硅基电技术， 电控制网络采用带内信令、源路由、数据缓冲、线路交换方式、光交换电控制 等。实现光传输网络和电控制网络的功能融合和协同工作，优化光传输交换网 络的微纳光电子器件的技术指标和最佳数据单元长度，确定光传输网络和电控 制网络的实现技术，提高光传输交换网络和电控制网络的整体性能；3）建立大 规模光电集成的多场耦合仿真模型，优化微纳尺度光、电、热、力的传导耦合 与隔离。

本课题将研究和实现微纳光电子集成芯片中最关键的微纳光电子器件和集 成技术。包括微纳激光器、微纳硅基探测器、微纳硅基调制器和微纳硅基16X16 光交换阵列等，将近2000 个新型微纳光电子器件实现集成，构成超计算结点中 两个 CPU间数据交换的通道，达到CPU输出输入带宽800Gb/s以上，CPU间交换总带宽不低于12.8Tb/s的技术指标。 3、创新性与特色

1)提出一种新型微纳结构激光器，通过光子晶体慢光效应缩小腔长、通过等 离激元微纳结构限制横模尺寸到亚波长量级，利用异质材料兼容技术及倏逝波耦 合解决硅波导中激光输出的问题。

2)采用 10～100 纳米尺度的波导结构和材料界面， 设计出具有强光学限制

能力的硅基纳米线波导和 Slot 型微纳光波导，并缩减载流子输运距离，提高调制速度。研究级联微纳光学谐振腔、光子晶体波导等慢光结构中的群速度延迟效应，降低器件尺寸和驱动功耗。

3)基于III-V族材料的高性能量子限制效应，实现硅基混合集成的波导型高性能探测器，基于CMOS 工艺兼容的选区氧化 SiGe/SOI，基于氧化过程中锗偏析的原理，制备硅基绝缘体上锗（GOI）选区微纳结构光电探测器集成材料；利用等离激元金属微纳结构高度局域光场下光电材料的非线性光吸收和复合纳电极对微纳结构内部电场的调制，同时实现探测器的高速和高灵敏度特性。

4)利用离子注入或外延氢化非晶硅等手段引入载流子复合中心，提高载流子 复合速率，缩短p-i -n结充放电时间，使器件响应时间缩减至10ps量级。

5)提出面向百亿亿次高性能计算机的超结点的硅基光交换体系结构。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，并达到未来 10 年高性能计算机对超结点的性能需求。 4、可行性分析

本项目研究核心微纳光电子器件， 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，着重研究新原理、新结构、纳米工艺，缩小器件尺寸和高密度微纳光电子集成技术，以便提高信息传输和交换速率。本项目创新点突出，参加单位优势明显，具有领先的研究工作基础。具体的可行性分析如下：

微纳结构激光器：作为微纳光电子集成芯片中的核心器件，其硅基集成和小 型化一直是研究的热点，课题针对这两个问题，提出将光子晶体慢光效应和等离 激元结合解决小型化问题，通过键合及消逝场耦合解决硅基集成问题。在光子晶 体激光器及等离激元研究方面我们在国内处于领先水平：1）中科院半导体研究 所国内首次研制出光子晶体微纳腔面发射激光器，可工作于850nm,1550nm等波段；国际上首次研制出光子晶体微腔边发射激光器及可调边发射激光器，调谐范围达 40nm以上，腔长~10微米；自行研制的键合设备可以实现Si/InP,Si/GaAs 等多种异质材料高质量键合。2）南京大学首次提出了双共振的纳米激光器， 可以同时实现入射泵浦光的共振与输出激光的共振，从而可以大大降低激光产生的阈值，提高输出效率。半导体所和南京大学都拥有国内一流的实验条件。

微纳结构调制器：本项目拟对调制器的电学结构与光学结构两个方面进行优 化，提高硅基微纳结构电光调制器的整体性能。反向 PN 结构的 MZI 电光调制器的速率高，但动态消光比低。而 PIN 结构的调制器的速度只有 10Gb/s，但消光比可以达到9dB。我们提出的结构兼有两者的优。调制器拟采用Mach-Zehnder Interferometer光学结构，并辅助以级联谐振腔、光栅、光子晶体波导等慢光波导结构，降低光信号的群速度，增强光场与载流子的有效耦合强度。研究表明，光子晶体慢光波导可在 20nm 的带宽内将群折射率提高到 20 以上。因此，利用慢光波导制成的 MZI 调制器将具有紧凑的尺寸和灵敏的电光响应，可以大幅提升调制器的调制效率，降低驱动功耗。

我们已经全面掌握了高速硅基调制器的整套加工工艺，摸索出10nm级电子束曝光与 ICP 刻蚀等核心制作工艺，套刻误差低至40nm，制作的硅基微纳波导的传输损耗约为2.7dB/cm，同光纤的耦合损耗?2.7dB/端面， 弯曲损耗为0.05dB。调制器最高调制速率达到11.9Gbit/s。 我们已经建立起12.5Gb/s的高频测试系统，成功地进行了 12.5Gb/s 的信号传输测量。在国内开展了基于标准 CMOS 生产线的硅基光调制器制备工作，实现了硅基光子器件在大规模制造中的工艺、结构标准化。团队在硅基微纳结构器件制作工艺和高频测试方面积累的丰富经验，为本课题的开展奠定了坚实的基础。

微纳结构探测器：硅基锗探测器的响应度、带宽和功耗之间互相制约，不能 同时达到微纳光电子集成芯片正常工作的要求。本项目将主要通过III-V族波导型探测器与硅的混合集成，来实现满足互联芯片要求的高性能探测器，同时通过外延生长和氧化SiGe/SOI 组份偏析新方法，在硅基上制备出硅基选区锗微纳结构材料；原理上利用等离激元局域光场的非线性吸收效应和金属纳米电极结构对器件内部电场的调控，以达到同时提高器件的响应速度和响应度， 突破现有探测器的参数之间相互制约的难题。

率先在国内制备出高质量III-V族波导探测器，探测响应超过0.3A/W，在国际上报道了系列硅基长波长微腔型光电探测器，引起学术界同行的高度关注，两次被撰文在新闻栏目中报道并被写入两本英文专著中。提出的长程等离激元光波导及其能量耦合解析表达式，被收入剑桥大学出版社最近出版的研究生教课书中。在已有的工作基础上，通过原理、材料和器件结构的创新，精心组织设计，

有望在硅基混合集成探测器的结构创新和性能上取得突破，推动纳米尺度新效应在器件中的应用，完成项目提出的研究目标。

硅基异质集成工艺：Si 是最成熟的微电子材料和良好的光波导材料，但其 本身的间接带隙特性决定了它的发光效率极低。目前长波长的发光器件、光接收 器件的有源区通常是由磷化铟(InP)系材料制作的，而 Ge材料制成的光电探测器性能优 …… 此处隐藏：2512字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……