來源：文章轉載自期刊《微納電子與智能製造》，作者：周治平，楊豐赫,陳睿軒，朱科建，許鵬飛，孫鵬斐，謝謝。
摘 要
在以大數據為基礎的現代信息社會，矽基光電子已經成為最具潛力的高效率、低成本片上解決方案。它的優勢來源於成熟微電子技術和寬頻光電子技術在微納範疇內的有機結合。近年來，社會各界對這門學科的興趣呈指數性增長。其應用也從最初的微電子擴展到通信、計算、傳感、人工智慧，乃至消費領域。揭示了矽基光電子發展的最初動機和挑戰，評述當前的研發進展，並討論其巨大的應用價值。希望以此推動微電子與光電子業界的進一步深度合作，使這個高效率、低成本的片上解決方案早日進入現代人的日常生活。
最初動機和挑戰
近50年來，微電子學一直是現代信息社會發展的驅動力。微電子晶片的發展遵從摩爾定律，即平均每18～24個月，其性能提升一倍，或者價格下降一半，以更大的集成度獲得更高的信息處理性能。但近年來，微電子晶片的微縮周期因受到物理、技術、經濟各方面的限制而逐漸變慢，摩爾定律面臨失效。到2020年，微電子技術可能從當前5nm工藝節點提升至2～3nm節點，然而在2～3nm尺度下可容納原子數量不到15個，由於量子效應的影響加劇，電晶體的不可靠性顯著增加，嚴重阻礙了微電子技術的進一步發展。但是，現代社會對信息高速處理的需求卻並未因微電子技術的滯後而降低，信息擁堵問題成為最先凸顯出的矛盾。以多核處理器和三維存儲相關的半導體技術為例，隨著先進系統的進一步升級，三維存儲技術迫切需要越來越高的傳輸速度。傳統的電子信息互連架構主要是通過銅介質進行電子傳導實現的，這種架構的信息傳輸速度和距離受限於RC時間常數以及電學損耗，所需銅線的直徑將隨著傳輸速度和傳輸距離的增加而顯著增加，當進行100km、10Gbps電學信號的傳輸時，所需的銅線直徑將達到驚人的200m[1]，因此基本無法使用，信息擁堵問題就此產生。
為了解決信息擁堵問題，人們注意到了另一種信息載體——光子。光子作為信息傳遞的載體，相比電子，具有穩定可控的調製和復用維度，如振幅、相位、波長、偏振態、模式等，具有更大的帶寬、更高的頻譜利用率和通信容量。而矽基光電子學正是探討微米/納米級光子、電子、及光電子器件的新穎工作原理，並使用與矽基集成電路技術兼容的技術和方法，將它們集成在同一矽襯底上的一門科學[2]。利用矽基光電子技術有望實現微電子器件和光電子器件的大規模集成和超低功耗特性，從而獲得性能優越的矽基光電子晶片，是解決傳統微電子學所面臨信息擁堵問題的有效方法。
矽基光電子技術誕生伊始主要用於解決晶片內光互連的問題，並逐漸擴展到通信以及數據中心等領域。與傳統微電子技術相比，矽基光電子技術不僅繼承了微電子方面尺寸小、耗電少、成本低、集成度高等特點，也集成了來自於光電子的多通道、大帶寬、高速率、高密度等優點。矽基光電子技術發展至今，得益於大容量數據通信場景的日益增加以及新需求、新應用的出現，已逐漸從學術研究驅動轉變為市場需求驅動。在矽基光電子晶片上，可集成信息吞吐所需的各種光子、電子、光電子器件，包括光波導、調製器和探測器和電晶體集成電路等[3-5]，矽基光電子的學科/技術體系已基本建立。
矽材料是製備微電子晶片的最佳材料，具備良好的電學特性，但其在光電特性方面的「先天不足」使得矽基光電子技術在低能耗和大規模集成方面面臨一定的挑戰。
1.能耗
（1）單晶矽作為間接帶隙的半導體材料，難以實現受雷射子輻射。因此，實現低能耗、低閾值的矽基片上雷射光源，往往需要考慮多種材料的異質集成。
（2）矽單晶具有良好的晶格對稱性，其線性電光效應為零，不利於線性、低能耗的片上信號調製和信息加載。
（3）矽的禁帶寬度為1.205eV，對應的光譜響應截止波長約為1100nm，無法高效地探測1.1～12μm通信和傳感波段的光波。
（4）矽的熱光係數，比氮化矽、氧化矽等無源材料大1個數量級（室溫下約為1.85×10-4K-1）。環境溫度變化和晶片熱量堆積對矽基光電器件的性能影響較為明顯，而溫控將增大晶片的能耗。
2.大規模集成
由於「衍射受限」，傳統光電子器件的尺寸往往是微米，甚至毫米量級，很難達到納米級別。由此導致的占地面積大和難以與微電子器件高效耦合/對接兩大問題，使得矽基光電子晶片的集成度目前還無法與微電子晶片相比擬。
然而，隨著矽基光電子學在學術研究上的深入探討和在產業技術上的不斷革新，矽材料的局限性也被一一突破。如選用適宜的光源材料，實現低閾值高效率的矽基片上光源；通過熱不敏感的器件設計，降低甚至消除溫控能耗；通過混合表面等離子體器件，來縮小光電子器件的尺寸，實現大規模的片上集成等。未來，矽基光電子技術將會在學術界和產業界的共同推動下，日趨成熟。
當前的研發現狀
在大數據、雲計算、物聯網等新一代通信需求的推動下，矽基光電子技術得到了長足的發展，並以光電子與微電子的深度交融為標誌開啟了後摩爾時代。為了進一步突破矽材料的局限性，將矽基光電子技術應用到更為廣泛的信息技術領域，當前的研究重點開始集中到大規模集成和低能耗系統兩個領域。在大規模集成方面，應用於大容量數據通信的矽基光電收發晶片是目前研究程度最深、應用最廣泛的矽基光電子晶片之一。圖1為2014年北京大學周治平課題組研製出的100Gbps矽基光電收發晶片[6]，填補了國內在該領域的空白。該晶片在幾平方毫米麵積上，實現了偏振分束器、光柵、耦合器、光混頻器、調製器和探測器等數十個光電器件的系統集成，並實現了100Gbps數據的調製發射和相干接收，信號傳輸100km後誤碼率可實現優於10-5量級。
圖1. 100Gbps矽基光電收發晶片
2018年，麻省理工學院的Ram課題組探索了兩種與CMOS工藝兼容的光電單片集成平台。第一種是在不改變CMOS工藝步驟的條件下，首次實現了矽基光電子器件與45nm和32nmSOI微電子器件的單片集成。該系統包含超過7千萬個微電子器件與850個光電子器件，並實現了單一晶片內部CPU與存儲器之間的光互連和數據傳輸，在高性能計算、數據中心等領域具有廣闊的應用前景。第二種是CMOS體矽集成平台。考慮到SOI晶片本身的成本以及微電子晶片巨頭（英特爾、三星等）的工藝平台，體矽晶片在成本以及應用場景方面更具競爭力。如圖2所示，利用多晶矽材料，可將波導、微環調製器、探測器同時集成在一起，能夠充分發揮矽基光電子集成的優勢，極大降低矽基光電子晶片的製造成本[7]。
圖2.基於體矽晶圓的矽基光電子集成晶片
除了集成工藝平台的探索，穩定可靠的片上光源可以拓寬矽基光電子晶片的應用領域，當前主要的矽基片上光源實現方案分為3類，包括摻鉺矽光源、鍺矽IV族光源和矽基III-V族光源[8]。儘管摻有鉺元素的矽很早就被觀察到1.53μm波長處的光致發光現象，但發光效率低，存在嚴重的溫度淬滅現象，無法達到實用要求。因此，人們轉而研究利用摻鉺（富矽）氮化矽較好的發光性能來實現低開啟電壓的電泵浦光源。北京大學周治平課題組[9-10]通過實驗驗證了額外摻入鐿元素對摻鉺矽發光效率的提升，並利用鉺鐿矽酸鹽實現了在1.2mA/cm2電流密度下1.53μm波長的電致發光[11]。鍺矽雷射器主要通過能級改造來實現高效發光[12]，實現方式上通常採用n型摻雜[13]，應力拉伸[14]以及GeSn合金[15]，首個電泵浦的鍺矽雷射器發表於2011年[16]，相比III-V族材料，鍺材料具有隨溫度升高的發光效率，未飽和條件下電注入與發光功率之間的超線性關係以及大增益譜等優勢，但依然面臨著高閾值電流和較低的發光效率的問題。III-V外延生長的矽基量子點雷射器主要以InAs/GaAs作為工作物質。相比傳統的量子阱雷射器，量子點雷射器具有閾值電流低、溫度特性好的特點，適用於高溫的工作環境，滿足低功耗、高密度、大規模數據通信短距互聯的需求。這種雷射器的工作性能（閾值電流、斜率效率）取決於生長材料的好壞。由於IV族矽和III-V族材料之間具有較大的晶格常數差異、不同的熱膨脹係數以及不同的極性，這就導致在矽上直接生長III-V族材料會引入大量的位錯，這些位錯宏觀上表現為III-V材料中出現斷層或開裂，從微觀上表現為在雷射器有源區引入大量的非輻射中心，導致發光效率低下，閾值電流的提高。因此，矽基上外延生長量子點雷射器的發展中心主要圍繞提高III-V材料質量展開，量子點既作為雷射器的高效發光中心，又被用於緩衝層中減少位錯密度。倫敦大學學院的Liu課題組[17]最先實現矽襯底上直接生長的O波段量子點雷射器，隨後首次報導了在室溫連續工作模式下超過3100h的超低閾值量子點雷射器[18]。加州大學聖芭芭拉分校的Bowers課題組[19]報導了連續光工作模式下閾值電流只有36mA的矽基量子點雷射器。東京大學的Arakawa課題組[20]最近也在矽（001）晶面外延生長高質量的InAs/GaAs量子點雷射器。儘管矽基外延生長的量子點雷射器是目前最有希望實現單片集成的矽基片上光源的重要方式，但依然面臨著緩衝層太厚與波導耦合困難的問題。
此外，利用金屬表面等離激元對光場限制能力強的特點，可以極大地縮小光電器件的尺寸，有利於矽基光電子的大規模集成。表面等離子體納米尺度的光場限制能力以及天然的偏振敏感性，非常適用於矽基混合表面等離子體片上偏振復用器件及系統的研究與實現[21-22]，從而解決傳統的矽基偏振復用系統尺寸過大和偏振分離度不高的問題。如圖3（a）所示為矽基混合表面等離子體偏振復用系統的示意圖，其中的關鍵器件包括TE/TM起偏器（polarizer）、偏振旋轉器（rotator）和偏振分束器（polarization beam splitter）等。入射光首先通過偏振分束器，將TE和TM模式各自分開為兩路。對於TM模式，經過90°的偏振旋轉器後，被旋轉成了TE模式，以及為了進一步提高消光度，可以再經過TE起偏器，以濾除殘留的TM偏振。兩路光在經過了對稱的集成光電器件後，將原本的TE模式經過90°的偏振旋轉器，旋轉成為TM模式，以及同樣為了進一步提高消光度，可以經過再經過TM起偏器，以濾除殘留的TE偏振。最終，兩路光經過偏振合束器合成一路輸出，從而同時完成了對TE和TM兩種偏振信號的處理和利用，達到了偏振復用的目的。北京大學周治平課題組[23-31]在矽基混合表面等離子體偏振復用系統中開展了豐富的研究工作。在偏振旋轉器的研究方面，理論設計並實驗加工了一種片上混合表面等離子體的偏振旋轉器[25]，如圖3（b）所示。實驗測得，該偏振旋轉器在僅僅2.5μm的長度下實現了99.2%的偏振旋轉效率。在起偏器方面，實現了一種TE通過型的矽基混合表面等離子體的起偏器[31]，如圖3（c）所示，在1.52～1.58μm的波長範圍內，實驗測得消光比高達24～33.7dB，而器件長度僅僅為6μm。相比於傳統介質材料的偏振旋轉器和起偏器，利用混合表面等離子體器件的尺寸要緊湊很多[23]。
圖3. 矽基混合表面等離子體片上偏振復用器件及系統
矽材料熱光係數大的特點導致矽基光波導系統對周圍溫度環境的變化極為敏感，這對諸如矽基片上波分復用系統的工作波長將造成極大的影響，通常需要額外的溫控管理來穩定工作狀態。如圖（4d）所示，利用非對稱MMI實現的任意分束比1×2光功率分束器能夠作為片上監測單元為控制系統提供反饋。為降低溫控額外引入的能耗，可以通過設計溫度不敏感的片上濾波器來實現。北京大學周治平課題組[32-34]針對常見的3種溫度不敏感濾波器都進行了研究，包括微環型、馬赫-曾德干涉型和陣列波導光柵型。微環型濾波器可以利用雙環耦合諧振譜分裂的現象來抵消熱光效應引起的波長漂移，避免使用與CMOS工藝不兼容的負熱光係數材料[35]。馬赫-曾德型濾波器採用兩種具有不同有效折射率的波導作為馬赫-曾德干涉器的兩臂可以實現溫度不敏感特性[36-37]。利用有效熱光係數差更大的條形波導與溝道淺刻蝕型波導，結合多級級聯的馬赫-曾德干涉結構，實現器件尺寸更緊湊的溫度不敏感平頂濾波器，如圖4（a）[38-39]所示，為了克服條形波導與溝道淺刻蝕波導模式失配問題，同時提出了一種條形波導與溝道淺刻蝕波導的模式轉換器，如圖4（c）[40-42]所示。陣列波導光柵型濾波器以往的設計存在所用材料與CMOS工藝不兼容，特徵尺寸小等問題，借鑑馬赫-曾德型濾波器兩臂採用不同類型波導的做法，可以實現溫度不敏感的陣列波導光柵性濾波器，如圖4（b）[43]所示，並設計了任意比例作為片上監測單元為控制系統提供反饋[44-45]。
圖4. 不同的溫度控制方法
片上能耗的重要來源還包括調製器的調製能耗。由於矽材料不具備線性電光效應，因此矽中進行高速調製需要用到自由載流子色散效應。依據該效應，Intel公司和康奈爾大學2004年和2005年分別在《自然》雜誌上報導了微環諧振腔調製器和馬赫增德調製器，將矽基調製速率提升至1Gbps以上，此後50Gbps以上調製速度的矽基電光調製器相繼出現。然而，自由載流子色散效應在提升調製器速率的同時，由於調製效率受限，因此導致了巨大的調製能耗。採用微環諧振腔的調製器雖然提升了調製效率，從而降低驅動電壓和調製能耗，但是諧振腔對溫度過於敏感，20℃的溫度改變量可以產生1nm左右的諧振波長改變量，而為了減少溫度的影響，每比特需要皮焦量級的熱調諧能量來補償溫度影響，整體運轉能耗巨大。馬赫增德調製器雖然對溫度不敏感，但調製效率較低，每比特調製能耗一般高達幾百飛焦[46]。在這個能耗量級下，光互連架構的優勢將很難與傳統電互連架構競爭。為了降低調製器能耗，北京大學周治平課題組[47]於2017年提出了一種集總式馬赫增德調製器結構，並建立了完整的電光理論分析模型，通過優化電極結構和載流子摻雜結構，可以將馬赫增德調製器的能耗降低至80.8fJ/bit（50Ω標準微波線纜驅動）和21.5fJ/bi（t10Ω集成驅動電路），同時調製速度可達50Gbps，這使得基於矽基光電子技術的光互連架構有望媲美、超越傳統電互連架構，如圖5所示。
圖5. 低能耗調製器結構和性能
巨大的應用價值
矽基光電子技術以其集成度高、尺寸小、與微電子工藝相兼容等優勢，在數據中心、通信、自動駕駛、傳感、高性能計算和人工智慧等各個領域彰顯出巨大應用價值，如圖6所示。
圖6. 矽基光電子技術應用領域
隨著雲計算、大數據等新業務的發展，數據中心內的流量出現了爆炸式增長，網絡擁堵和延遲等問題的出現使得「光進銅退」成為必然趨勢。當前基於100G光模塊的光互連架構已經在數據中心全面鋪開，IEEE P802.3bs 400GbE標準也已發布，基於200G/400G光模塊的光互連架構已經開始布局。為了同時滿足數據中心對光模塊成本和性能的要求，當前光模塊發展的趨勢是不斷增大集成度，在材料面積和材料功能之間取得更優利用率。矽基光電子技術與微電子工藝有很好的兼容性，因此可以大大提高集成度和成本效益，而且子系統的高集成度可為整體光互連網絡提供更高的穩定性和更低的功耗，這使得基於矽基光電子技術的光模塊成為通信、數據中心的最佳解決方案，如圖7所示。從2012年Cisco第一次在商用CPAK100G光模塊中使用矽基光電子引擎，到2016年Luxtera、Intel公司QSFP28矽光模塊投放市場，再到2019年Intel、Macom等公布400GDR4、FR4等矽光模塊，矽基光電子技術在100G數據中心光互連架構中的應用價值已得到充分證明，並逐步布局於未來400G光通信市場中。
圖7. 基於矽基光電子技術的光收發模塊
在通信領域，矽基光電子技術以其高集成度和精確、高效的相位調製特性，非常適合實現相干調製解調功能，可應用於通信城域骨幹網遠距離通信，Acacia、Elenion、Inphi、Macom等均推出了矽光相干晶片，Acacia和Macom等已經向通信客戶實現矽光相干模塊的量產出貨。而隨著5G規模商用的臨近，光模塊將在通信領域迎來嶄新的應用場景。根據CIR預測，到2022年，全程5G回程開支將超20億美元，光網絡行業將是5G回程建設的主要受益者。由於5G宏基站數量的增多，因此光模塊需求總量將是4G時代的3～6倍，預計僅5G前傳就有約5000萬隻25G/50G光模塊的需求，在需求量的驅動下，基於微電子工藝的矽基光電子技術將充分發揮成本優勢。同時，矽基光電子技術也可以有效滿足5G對傳輸速率，超低延時、高穩定性的要求。2018年，Intel宣布將其100G矽光收發模塊[48]產品擴展到數據中心之外，並公布了應用於5G和物聯網（IoT）的新型矽基光電子產品的細節。5G在成本和技術上的訴求，將為矽基光電子技術的應用帶來新的轉折點。
矽基光電子技術也獲得了高性能計算和人工智慧領域的極大關注。在高性能計算領域，能耗和信息讀取速度成為制約高性能計算髮展的兩大因素。按照現在技術發展，未來每秒進行百億億次數學運算的高性能計算系統全年用電量將達到40億千瓦時以上，同時在處理器和內存之間、處理器之間的信息讀取速度嚴重滯後於處理器運算速度，導致處理器計算性能只能發揮至20%以下。受電子自身物理極限的制約，傳統減小晶片特徵尺寸不能有效解決以上問題。與電子比較，光子具有傳輸速度高、可並行、帶寬大以及低功耗等特點，因此，利用矽基光電子晶片進行信息交互與計算是突破高性能計算髮展展瓶頸的一個關鍵。2015年，加利福尼亞大學和麻省理工學院報導了首個光電一體處理器，邁出了矽基光電子技術在高性能計算領域應用的第一步[49]。如圖8（a）[48]所示，基於矽基光電子技術，在一塊晶片上同時製備了7千萬個微電子器件與850個電子器件，通過光子在計算和存儲單元之間進行了高速通信。在此基礎上，2018年又成功實現了10Gbps通信速度並融合了波分復用技術[7]。此外，矽基光電子技術也為人工智慧領域提供了新的發展思路。利用光學結構製備面向深度學習應用的矽基光電子人工智慧晶片於2017年被正式提出，有望實現高速、低能耗的推理和訓練過程，如圖8（b）[50]所示。
圖8. 基於矽基光電子技術的處理器和晶片
如上所述，矽基光電子技術在數據中心、通信、高性能計算和人工智慧領域已經彰顯出巨大應用價值，其市場規模如圖9[51]所示，到2020年，總市場規模將達到3億美元以上。數據中心和通信將是矽基光電子技術應用的核心應用場景，但隨著高性能計算領域的瓶頸凸顯，矽基光電子在高性能計算領域的市場份額也將迅速增長。
圖9. 矽基光電子技術市場規模預測
值得一提的是，矽基光電子技術在其他領域的應用潛力也得到了挖掘。如近年興起的自動駕駛領域和傳感領域。雷射雷達已經成為自動駕駛不可或缺的關鍵傳感器，得益於SOI材料高折射率對比度和與微電子工藝兼容的先天優勢，基於矽基光電子技術的固態雷射雷達在穩定性、成本和大規模集成方面較傳統多線機械旋轉方案有巨大優勢，2015年，加州大學聖芭芭拉分校（UCSB）成功研製出32通道紅外光學相控陣晶片[52]，如圖10所示，將雷射器、光放大器等有源器件和其他無源光學鏈路集成在一起，實現了首款真正意義上的矽基固態雷射雷達晶片。2017年，麻省理工學院又報導了第一個可調頻連續波（FMCW）固態矽基雷射雷達樣品[53]，這些最新結果均表明矽基固態雷射雷達已經朝著實用化又邁出了關鍵一步。
圖10. 基於矽基光電子技術的固態雷射雷達
在傳感領域，當前矽基光電子技術主要應用於疾病檢測，並得到了產業驗證。疾病的複雜性和多相性，以及對生活方式和基因的依賴性，使得無標記體外診斷成為疾病診斷的關鍵。利用矽基光學微環矩陣在生物過程中發生的諧振變化及放大作用，可以同時對多種疾病的生物標記進行時域上的體外定量檢測，具有高靈敏度、低成本等特點。美國Genalyte公司已經將這項技術完整地實現了商業化[54-55]，可以通過幾滴血液來完成多達62項的測試，充分證明了矽基光電子技術在傳感領域的巨大商業價值。
圖11. 基於矽基光電子技術的生物傳感晶片
總結
本文對微電子與光電子深度融合的結晶——矽基光電子學的發展現狀及趨勢進行了全面剖析。一方面集成電路晶片的發展趨於飽和；另一方面，由於大數據、雲計算、物聯網的發展，信息高速公路體系中各層分支線路上的數據流量也大大增加。光進銅退已經延伸到了晶片內部。矽基光電子晶片結合光電子技術的極高帶寬、超快速率和高抗干擾特性以及微電子技術在大規模集成、低能耗、低成本等方面的優勢，應用矽工藝平台，在同一矽襯底上同時製作若干微納量級，以光子和電子為載體的信息功能器件，形成一個完整的具有綜合功能的新型大規模光電集成晶片。其作為「後摩爾時代的核心技術」，已經得到了已開發國家和地區的高度重視。矽基光電子晶片可以在能耗、成本、尺寸方面帶來極大的優勢，不僅可用於中興、華為以及其他世界頂級通信公司的通信設備中，也可用於思科、微軟、臉書、谷歌、亞馬遜、阿里巴巴等高科技公司的產品及其巨型數據中心，更有可能很快進軍傳感，消費領域。如果微電子與光電子業界能夠進一步深度合作，以矽材料為平台的大規模光電集成晶片這個高效率低成本的片上解決方案就能夠像微電子晶片一樣早日進入現代人的日常生活。
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《微納電子與智能製造》刊號：CN10-1594/TN
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主辦單位：北京市電子科技科技情報研究所
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