MIT以及PhotonDelta集成光电子技术蓝图|硅基光电子技术篇
硅基光电子技术是新兴技术，可直接在用于现代电子产品的成熟硅制造平台上构建光子集成电路 （PIC）。与传统的光子制造技术相比，硅基光电子技术利用现有的半导体基础设施，能够制造出高度先进的 PIC，在产量、密度和成本方面具有前所未有的优势。本教程将根据麻省理工学院的Microphotonics Center （MphC）与PhotonDelta 在2024年三月底联合发布的集成光子系统路线图 （IPSR-I），介绍硅基光电子技术的当前先进水平、关键构件、制造工艺、设计注意事项和未来技术趋势。硅基光电子集成电路的核心采用绝缘体上硅（SOI）晶片，其中薄硅层作为波导核心，周围埋有氧化物绝缘层。这种高指数对比度的波导平台可实现高度紧凑的光子器件和类似于现代电子产品的密集集成。硅基光电子技术目前在 1-4 μm 的近红外波长范围内工作，涵盖 1300 nm 和 1550 nm 的重要电信波段。在传统 CMOS 代工厂制造 PIC 的能力具有显著的可扩展性和可制造性优势。截至 2024 年，全球约有 4-8 家 CMOS 代工厂、4 家集成器件制造商 （IDM） 和 20 家研究机构在 200 毫米或 300 毫米晶圆上提供成熟的硅光子工艺。这些先进的制造能力使硅基光电子技术成为领先数据中心和电信公司的首选技术，总共部署了数千万个收发器。
图 1：硅基光电子技术平台。晶圆平台仅提供（a）、（a）+（b）或（a）+（c）。硅基光电子技术利用高指数对比度实现了各种紧凑型无源和有源光子器件，可密集集成在单个芯片上。一些关键构件包括：波导： 横截面约为 500 nm x 220 nm 的硅波导可将光紧密地限制在一定范围内，从而实现高度紧凑的路由，并在 2030 年前实现低于 1 dB/cm 的低损耗传播。
滤波器： 阵列波导光栅（AWG）等波长选择性滤波器可在单根波导上复用 100 多个通道，预计到 2030 年串扰将低于 40 dB。
光电探测器： 外延生长的锗光电探测器单片集成在波导上，可提供高达 1.1 A/W 的高响应率，同时到 2035 年可扩展到 300 GHz 的带宽。
调制器： 硅调制器利用等离子体色散效应，使用紧凑型马赫-泽恩德干涉仪或谐振环调制器，到 2035 年实现高达 800 Gbaud 的高速相位调制。
光纤耦合器： 到 2035 年，光栅耦合器可实现插入损耗小于 0.2 dB 的宽带垂直光纤耦合，而边缘耦合器则可在同一时间内实现 500-800 nm 带宽内插入损耗小于 0.5 dB 的光纤耦合。
图 2：AIM 学院教育芯片：硅基光电子PIC 设计的典范，展示了高水平的集成密度。（资料来源：AIM 光子学院教育芯片）路线图中概述的其他关键组件包括隔离器、通过异构工艺实现的激光/增益集成、光开关以及稍后讨论的电子-光子集成。要生产硅基光电子集成电路，需要利用完整的 CMOS 工艺流程，并添加几个光子专用模块，如图 1 中的工艺横截面所示。一些关键的工艺要素包括：波导图案化：SOI 波导采用 193nm 深紫外沉浸光刻技术和干法蚀刻技术进行图案化，预计到 2030 年侧壁粗糙度控制在 <1 nm。
锗外延： 外延生长的 Ge 可在大马士革工艺流程中利用选择性面积生长实现波导集成光电探测器。
掺杂： 植入物用于形成调制器和探测器的 p-n 结，在 <700°C 下激活，以实现后端电子集成。
包层沉积： 使用化学气相沉积和化学机械抛光 （CMP） 等工艺沉积和平面化氧化硅、氮化物和其他电介质。
金属化： 金属沉积用于形成欧姆触点、加热器，最终形成标准电子器件的互连线路。
异质集成： 晶圆键合、晶粒/晶粒到晶圆混合集成和微转移印刷等技术可实现 III-V 和其他化合物半导体有源器件（如激光器）的集成。
这种成熟的工艺流程使硅基光电子电路的制造基本采用与先进 CMOS 逻辑节点相同的基础设施，从而提供了无与伦比的制造能力。硅基光电子生态系统的一个重要组成部分是工艺设计工具包（PDK），该工具包对元件行为进行建模，规定设计规则，并提供一个预验证构件库。大批量生产工厂和 IDM 的 PDK 成熟度正逐渐与电子 PDK 看齐，包括紧凑模型、布局与原理图/电路验证，以及双向电子-光子设计自动化。然而，对于产量较低的研究晶圆厂来说，PDK 的成熟度仍然是一个关键的差距和发展领域。稳健的紧凑型模型和通过统计/角情况模型捕捉工艺变异性对于首次正确设计至关重要，尤其是随着集成复杂性的增加。
更广泛地说，在统一的环境中实现光子与电子无缝协同设计的能力，对于未来受益于电子-光子紧密集成的系统很重要。目前正在对支持这种融合的先进 EDA 工具进行投资。得益于硅平台的成熟，研究表明无源硅基光电子器件在高光功率下具有出色的可靠性，有源锗元件在热和电压力下也能可靠运行。集成 III-V 材料的直接外延生长会带来一些环境和安全方面的挑战，需要在大批量 CMOS 生产中加以解决。在工艺完全适应之前，III-V 族专用模块和工具室等策略可以起到临时帮助作用。总之，与开发全新的制造设施相比，利用现有的 CMOS 基础设施有助于最大限度地减少硅基光电子技术对环境的影响。通过适当的控制，这些影响可以与电子芯片制造同时进行管理。虽然硅基光电子技术目前的商业驱动力仍然是数据通信/电信领域的收发器和互连器件，但该平台带来的低成本和小型化正在开辟其他广泛的潜在应用领域：高性能计算： 利用集成光子技术实现芯片到芯片和机架互连，可提供新兴人工智能/移动计算工作负载所需的带宽密度和能效。
传感： 低成本、大批量的硅光子传感器可广泛部署于激光雷达、结构监测、医疗诊断等应用中。
量子计算： 随着研究的不断深入，硅基光电子技术为实现紧凑、可扩展的量子光学电路和组件提供了一条前景广阔的道路。
展望未来，IPSR-I 中强调的一些关键趋势和挑战包括：持续的光刻技术扩展： 保持可实现特征尺寸的光刻技术扩展路线图很重要，可能需要过渡到更高 NA 值的极紫外（EUV）光刻技术。
光源集成： 合并激光光源和相关增益材料将是未来研究工作的主要驱动力，这就需要在整个供应链中采用可靠的异构集成流程。
材料集成： 除激光器外，铌酸锂、石墨烯、铁电和二维化合物等材料的集成也有可能提升平台的性能和新功能。
系统级设计： 随着光子技术的广泛应用，将出现以性能、功率、带宽、成本和可靠性的全系统级优化为中心的新设计流程和方法。
集成电子光子系统： 最终，尽可能紧密的单片电子-光子融合将提供未来计算系统架构所需的最佳能效、互连密度和延迟。
硅基光电子技术是革命性技术，为制造高度先进的光子集成电路提供了可扩展、高收益的平台，有望改变各行各业的面貌。硅基光电子技术将光波与用于现代电子产品的无处不在的半导体制造技术相结合，克服了在成本、性能和可扩展性方面的许多传统障碍，而这些障碍在历史上一直限制着光子技术的应用。正如行业路线图所强调的，光刻技术、材料集成、设计自动化和系统级设计方面的关键创新将继续推动这一颠覆性技术的指数级增长，对电信、计算、传感、量子信息处理等各个领域产生巨大影响。[1]Integrated Photonic Systems Roadmap - International (IPSR-I), "2024 IPSR-I Silicon Photonics Updated V2," March 2024.
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