2018年光电集成前沿技术研讨会成功举办

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7/21/2018，由北京协同创新研究院主办，北京大学信息科学技术学院硅基光电子及微电子系统实验室承办的光电集成前沿技术研讨会于2018年7月12日成功举办。来自国内外高校及企事业单位的专家学者共三百余人出席本次研讨会，共同探讨光电集成前沿技术的发展方向。

2018光电集成前沿技术研讨会现场

研讨会就“与CMOS兼容的大规模光电集成方案与平台”，“光电子器件的快速封装、对准、测试技术”，“硅基光源研究与应用”，“硅基 III-V族混合集成”等话题展开了深入讨论。来自北京协同创新研究院，西安光电子集成电路先导技术研究院，北京大学，东京大学，Luxtera公司，美国麻省理工学院，日本国家先进工业科学技术研究所，上海微系统与信息技术研究所，ficonTEC公司的管理者与资深专家应邀出席并做相关报告。

此次研讨会针对硅基单片集成技术中的难点，为光电子集成领域的发展提供了一个专业的分享最新研究成果、讨论未来技术发展方向和应用场景的平台。以此为契机，拓宽与会者的研究领域，帮助其了解最前沿的光电子芯片技术，寻找技术路线，助力我国光电子集成事业的蓬勃发展。

硅基光电子技术蓬勃发展

硅基光通信微处理器。图片来源：Nature 528, volume55 pages534–538 (24 December 2015)

当前，以大数据，云计算，物联网为代表的新一代通信技术迅猛发展。作为关键的支撑技术，集成光电子技术变得越来越重要和不可或缺。硅基光电子技术利用成熟的CMOS工艺和平台，为后摩尔时代微电子与光电子的集成带来优势。现在，硅基光电子技术被广泛接受为下一代通信系统和数据互连的关键技术。此外，在高性能计算，生物医学和传感等领域，硅基光电子也有重要的应用价值。

周治平教授在会议上做报告

北京大学周治平教授指出，长时间以来硅基光电子集成被广泛认为是能够显著降低通信成本的技术方案。硅基光电子器件与微电子CMOS工艺兼容这一独特优势，令光电子器件的大规模集成成为可能。从这个意义讲，硅基光电子可以等同于大规模光电子集成。然而，微电子与光电子器件的硅基单片集成仍然是一个挑战。

Rajeev J. Ram教授在会上做报告

来自麻省理工（MIT）的Rajeev J. Ram 教授分享了他在单片光电子集成方面的工作。其研究组探索了两种与CMOS工艺兼容的光电子集成平台。第一种是在不改变CMOS工艺步骤的条件下，首次实现了光子器件与45nm 和32nm SOI微电子器件的单片集成。该系统包含超过70M 个元器件，在高性能计算、数据中心等领域具有广阔的应用前景。第二种是体硅CMOS集成平台。考虑到SOI晶片本身的成本以及微电子芯片巨头（Intel，三星等）的工艺平台，体硅晶片在成本以及应用场景方面更具有竞争力。利用多晶硅材料，可将波导、调制器、探测器同时集成在一起，极大降低了光电子器件集成的成本。同时，其研究小组还在大规模集成逻辑门，传感，量子计算等方面进行了探索。

基于体硅工艺开发的单片光电集成平台。图片来源：Nature 556, 349–354 (2018)

新的技术工艺不断涌现
1 、硅基光源

Yasuhiko Arakawa教授在会上做报告

硅是间接带隙半导体，发光效率低，不适合做光源。硅基InAs/GaAs量子点激光器是目前最有希望成为片上光源技术方案。东京大学Arakawa教授是最早提出量子点激光器这一概念的研究者。此次研讨会上，他展示了量子点激光器最新的研究进展。通过flip-chip bonding方法成功实现了工作温度高达125°C的量子点激光器阵列。使用direct wafer bonding技术，硅基混合量子点激光器产生的激光可以耦合到硅波导中。具有薄AlGaAs下包层的InAs / GaAs 量子点激光器结构可被转移到具有绝热锥形结构和分布式布拉格反射器的硅波导上。该激光器在脉冲电流条件下可在高达115°C的温度下工作，其特征温度在室温附近（303 K）。在硅（001）晶面上实现直接生长的III-V QD激光器是未来单片集成的硅光光源的最终目标之一。尽管通常通过MBE可以生长高质量的InAs / GaAs 量子点，但是需要通过MOCVD生长衬底和激光器结构之间的缓冲层。Arakawa研究组最近已经可以在硅（001）晶面通过MBE直接生长的高质量InAs / GaAs 量子点激光器。

硅基光源的Flip-chip bonding. 图片来源：JLT 32(7), 1329-1336 (2014)

2 、大规模硅基光电子集成平台

周治平教授与Koji Yamada教授

硅基光电子器件的大规模集成离不开先进的工艺平台。来自日本国家先进工业科学技术研究所的Yamada 教授展示了 300-mm 晶片硅基光电子工艺。该工艺平台具有出众的加工准确性、均一性和可重复性。运用这一技术可以加工多种高性能光电子器件，比如大规模光开关矩阵和高效率光调制器。这些器件对于下一代超低能耗网络系统来说极为重要。
我国在大规模硅基光电子集成平台建设方面也在不断推进。上海交通大学拥有20nm 电子束工艺，可进行无源器件加工。北京大学、中科院半导体所具有4英寸晶圆加工能力。中国科学院微电子研究所拥有180nm、8英寸晶圆工艺，有源和无源硅基器件均可进行加工。上海工业技术研究所同时拥有90nm 和180nm 工艺，可进行多项目晶圆有源和无源硅基器件加工。此外，中芯国际拥有成熟的28nm，8/12英寸晶圆工艺，针对硅基光电子器件的大规模集成平台已经初步建立起来。

3 、硅基III-V族混合集成平台

Jurgen Michel在会上做报告

由于材料的加工不兼容性，长久以来在硅衬底上单片集成III-V半导体材料非常具有挑战性。麻省理工的Jurgen Michel 资深研究员及其研究组通过使用新颖的双键合技术，将不同的硅和非硅光电模块集成在了同一个硅衬底上。相比传统的硅基CMOS集成技术，该平台可以发挥不同材料系统的优势，以相当高的集成度创建更多功能和高性能的新型光电集成回路。其研究已经证明了硅，GaAs和GaN层可在同一个200 mm 硅衬底上的集成。

硅光产业化已经在路上

Peter De Dobbelaere博士在会上做报告

Luxtera 是世界上第一家量产硅基光收发模块的公司。其硅基光电子技术负责人 Peter De Dobbelaere展示了该公司先进的硅光技术平台，包括晶圆处理模块，器件库，光源集成，光模块封装技术等。在高速率数据中心通信，专用集成光电回路的设计等方面，Luxtera公司具有深厚的技术积累和丰富的经验。

Ignazio Piacentini在会上做报告

由于测试和封装成本在整个光模块成本中占有最大的比重，降低测试和封装成本对于光电子器件的产业化极为总要。ficonTec公司的Ignazio Piacentini 介绍了该公司在自动测试和封装技术上的进展，包括3D光波导接合技术，被动对准技术，自动测试技术等。未来制约自动测试和封装设备的关键问题是高产率下任然保持很高的良品率。中国光模块不断增长的市场需求，产量的提高，人工成本的上升都将推动自动测试和封装技术的发展与运用。