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 -(6)

承担单位： 中国科学院半导体研究所、南京大学、国防科学技术大学 课题负责人： 郑婉华

学术骨干： 袁晓东、刘辉、朱志宏、渠红伟

课题 2 ： 硅基微纳波导结构高速低功耗光调制器的研究 预期目标：

1)摸索出硅基微纳调制器的优化集成工艺，掌握对微纳结构调制器精确控制 的方法，并希望最终达到与CMOS 兼容的低成本、高成品率的实用化水平；

2)揭示各种调制器结构中的电光相互作用机制以及影响器件性能的各种因 素。建立起一套完整的硅基微纳结构电光调制器的分析与模拟方法；

3)制作出低温度敏感性的高速低功耗电光调制器，指标达到：速度≥25Gb/s， 动态消光比≥5dB，尺寸≤0.5mm×2mm；

4)发表高水平论文论文 50篇，申请中国发明专利 20 项，培养博士后 1-2位，研究生25 名。 主要研究内容：

该课题将通过微纳光电集成系统中的高效物理信息转换机制的深入研究，研 究片上光互连网络中信息转换的各种机理及其影响因素。基于新型硅基微纳电光 结构，研制出高速低功耗的硅基调制器，具体研究内容分为：

1)研究新型的微纳光波导结构中载流子与光场的互作用机制，利用硅纳米线 波导、光子晶体波导、纳米 slot波导等新型波导的强光学限制能力缩减载流子输运距离，以提升调制速度。

2)研究各种新型光学调制结构的耦合方式、Q 值、色散、相移、群折射率等 特征参数与调制器功耗和速度的关联性，探索级联微纳光学谐振腔、光子晶体波 导等慢光结构中的群折射率增强效应，利用慢光特性降低器件尺寸和驱动功耗。

3)研究标准 CMOS 工艺对微纳尺寸下的器件的形貌、杂质分布的影响，通 过现有的商业 TCAD 软件的工艺模拟，达到对器件精确控制的目的。进而通过 对 CMOS 工艺的优化，改善微纳结构器件中的载流子的输运过程，从而提高器 件速度，同时降低器件功耗。

4)研究调制的各种电学结构，分析其调制的机理。深入研究各种调制结构

中对调制效率、速度、功耗的影响因素。综合考虑这些影响因素，采取进一步的优化设计，提出新型的电光调制器结构，提高器件的整体性能。

5)研究调制结构的射频特性，利用商用软件HFSS 模拟计算，控制器件的特 征阻抗、衰减常数和模式折射率。器件与射频源的阻抗匹配，可以使射频功率的反射减少；降低射频信号衰减，使得无用射频功率减小，从而降低功耗，提高调制效率；射频信号模式在电极中的传输速度与纳米线波导中的光学群速度相互匹配可以减小码间串扰，提高调制效率。 经费比例： 22%

承担单位： 中国科学院半导体研究所、厦门大学 课题负责人： 储涛

学术骨干： 谭满清、王辅明、伞海生、肖希

课题 3 ： 硅基混合集成微纳结构高速高灵敏度光电探测器的研究 预期目标：

1）制备出超低位错密度硅基选区锗微纳结构探测器集成材料，位错密度小 于 105cm-2；

2）制备出高速高灵敏度硅基混合集成微纳波导型光电探器，指标达到：探测波长1.3~1.6?m，器件响应度 0.5A/W，带宽达到25Gb/s，工作电压小于5V； 3）发表高水平论文论文 40 篇，申请中国发明专利20项，培养博士后 2位， 研究生20 名。 主要研究内容：

本课题通过对III-V族波导型探测器、高质量硅基锗微纳波导结构形成和金属与微纳结构相互作用机理的研究，基于CMOS兼容工艺技术，设计制备硅(SOI)基混合集成高性能探测器，探索硅基选区锗微纳波导结构探测器集成材料；揭示纳尺度金属接触界面改性对微纳结构内部电场分布的调控机制；探索微纳波导结构等离激元局域强场下高密度光子非线性吸收饱和，以及金属本征吸收和探测器光电吸收的耦合竞争机制，设计制备出新型微纳波导结构硅基锗高速高灵敏度波光电探测器，具体研究内容如下：

1）研究III-V族波导探测器在吸收区和收集区的特殊设计，空间电荷及光生

载流子的分布，缩短空穴的扩散和漂移时间，设计和发展消逝场耦合吸收增强波导结构，研究波导探测器倏逝波导的导波特性及模场与各结构参数的关系，研究光波从波导层到吸收层的高效耦合；利用金属限制的表面等离子增强微小体积光探测器的吸收效率实现高量子效率的光电探测；研究设计波导探测器与Si上光波导的高效耦合与键合方案。

2）研究大失配材料Ge/Si外延生长动力学过程和SOI基SiGe选区氧化偏析制备绝缘体上锗微纳结构的形成机理，通过探索氧化SiGe过程中Ge偏析和二次沉积的机制，制备出高质量硅基选区锗微纳波导结构光电探测器集成材料。

3）建立纳尺度金属电极接触界面对硅基锗微纳结构内部电场调控和载流子输运模型，基于复合金属电极和探测器结构设计，调制硅基锗微纳结构光电探测器内部电场分布，获得低偏压下雪崩倍增效应。研究纳米结构中局域光场强度、分布与光电转换效率之间的关系和规律。基于金属等离激元效应设计微纳米波导结构中局域光子密度大小和分布，研究高密度光子的非线性吸收饱和机理及光电转化效率规律。

4）研究等离激元金属纳米结构的本征吸收和波导探测器光电吸收之间的相互关系。基于等离激元理论模型，研究光波能量在金属等离激元纳米结构和波导探测器光电材料之间分配，阐明金属本征吸收对光电转换效率的影响。研究金属锗化物自对准技术制备金属包覆层锗微纳波导探测器结构。研究金属与锗接触界面态产理和消除方法，降低器件的暗电流密度。 经费比例： 18%

承担单位： 厦门大学、国防科学技术大学、中国科学院半导体研究所 课题负责人： 李成

学术骨干： 孙志军、叶卫民、任雪畅、孙晖

课题 4 ： 硅基微纳结构16X16 光交换阵列与光电子集成技术的研究 预期目标：

1) 高性能硅基光交换阵列，阵列数目为4?4，8?8，16?16；光交换阵列 的交换延迟时间2～5ns，消光比>15dB；

2）在同一个硅晶圆上完成硅基微纳光电子器件的集成，实现传输和交换通

路的建立、性能的测试、功能的演示；

3）提出高性能计算机CPU间数据交换的光电并行双网络体系结构； 4）发表高水平论文论文 50 篇，申请中国发明专利 20 项，培养博士后 2位，研究生25 名。 主要研究内容：

本课题通过对纳米尺度条件下，光波导内光场模式的分布、传导、耦合等原 理的研究，基于 CMOS 兼容工艺技术，设计制备硅基纳米光波导结构及光波导 集成器件。分析纳米尺度硅基材料对光波导传输模式的调控机理，探索在纳米结 构内实现光波模式调谐增强机制，研究纳米光波导结构对局域光场的调制效应。 基于纳米材料结构设计硅基纳米线波导器件，解决器件集成技术难题，具体研究 内容如下：

1)研究硅纳米线波导、纳米 slot 波导、硅基异质波导等新型纳米光波导的对载流子与光场相互作用的增强机制，研究高速光信号在纳米光子结构中的衰 减、延迟等现象的产生机理。

2)研究超高带宽低功耗的光电并行双层体系结构，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。

3)研究无阻塞和重排无阻塞的拓扑结构，优化结构设计和制造技术的兼容 性，使开关数和波导交叉最少、交换延迟最短。

4)研究多种硅基微纳光子功能器件的集成方法，研究有源与无源光子器件 间的纳米耦合结构和高效耦合机理，建立多场耦合联合仿真模型。

5)研究与 CMOS 兼容的纳米精度多层 …… 此处隐藏：2123字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……