7/21/2018，由北京協(xié)同創(chuàng)新研究院主辦，北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院硅基光電子及微電子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室承辦的光電集成前沿技術(shù)研討會于2018年7月12日成功舉辦。來自國內(nèi)外高校及企事業(yè)單位的專家學(xué)者共三百余人出席本次研討會，共同探討光電集成前沿技術(shù)的發(fā)展方向。


                         2018光電集成前沿技術(shù)研討會現(xiàn)場

研討會就“與CMOS兼容的大規(guī)模光電集成方案與平臺”，“光電子器件的快速封裝、對準(zhǔn)、測試技術(shù)”，“硅基光源研究與應(yīng)用”，“硅基 III-V族混合集成”等話題展開了深入討論。來自北京協(xié)同創(chuàng)新研究院，西安光電子集成電路先導(dǎo)技術(shù)研究院，北京大學(xué)，東京大學(xué)，Luxtera公司，美國麻省理工學(xué)院，日本國家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所，上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，ficonTEC公司的管理者與資深專家應(yīng)邀出席并做相關(guān)報告。

此次研討會針對硅基單片集成技術(shù)中的難點(diǎn)， 為光電子集成領(lǐng)域的發(fā)展提供了一個專業(yè)的分享最新研究成果、討論未來技術(shù)發(fā)展方向和應(yīng)用場景的平臺。以此為契機(jī)，拓寬與會者的研究領(lǐng)域，幫助其了解最前沿的光電子芯片技術(shù)，尋找技術(shù)路線，助力我國光電子集成事業(yè)的蓬勃發(fā)展。

硅基光電子技術(shù)蓬勃發(fā)展


硅基光通信微處理器。圖片來源：Nature 528, volume55 pages534–538 (24 December 2015)

當(dāng)前，以大數(shù)據(jù)，云計算，物聯(lián)網(wǎng)為代表的新一代通信技術(shù)迅猛發(fā)展。作為關(guān)鍵的支撐技術(shù)，集成光電子技術(shù)變得越來越重要和不可或缺。 硅基光電子技術(shù)利用成熟的CMOS工藝和平臺，為后摩爾時代微電子與光電子的集成帶來優(yōu)勢�，F(xiàn)在，硅基光電子技術(shù)被廣泛接受為下一代通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)互連的關(guān)鍵技術(shù)。 此外，在高性能計算，生物醫(yī)學(xué)和傳感等領(lǐng)域，硅基光電子也有重要的應(yīng)用價值。


                             周治平教授在會議上做報告

北京大學(xué)周治平教授指出，長時間以來硅基光電子集成被廣泛認(rèn)為是能夠顯著降低通信成本的技術(shù)方案。硅基光電子器件與微電子CMOS工藝兼容這一獨(dú)特優(yōu)勢，令光電子器件的大規(guī)模集成成為可能。從這個意義講，硅基光電子可以等同于大規(guī)模光電子集成。然而，微電子與光電子器件的硅基單片集成仍然是一個挑戰(zhàn)。


                              Rajeev J. Ram教授在會上做報告

來自麻省理工（MIT）的Rajeev J. Ram 教授分享了他在單片光電子集成方面的工作。其研究組探索了兩種與CMOS工藝兼容的光電子集成平臺。第一種是在不改變CMOS工藝步驟的條件下，首次實(shí)現(xiàn)了光子器件與45nm 和32nm SOI微電子器件的單片集成。該系統(tǒng)包含超過70M 個 元器件，在高性能計算、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。第二種是體硅CMOS集成平臺�？紤]到SOI晶片本身的成本以及微電子芯片巨頭（Intel，三星等）的工藝平臺，體硅晶片在成本以及應(yīng)用場景方面更具有競爭力。利用多晶硅材料，可將波導(dǎo)、調(diào)制器、探測器同時集成在一起，極大降低了光電子器件集成的成本。同時，其研究小組還在大規(guī)模集成邏輯門，傳感，量子計算等方面進(jìn)行了探索。


基于體硅工藝開發(fā)的單片光電集成平臺。圖片來源：Nature 556, 349–354 (2018)

新的技術(shù)工藝不斷涌現(xiàn)
1 、硅基光源


                      Yasuhiko Arakawa教授在會上做報告

硅是間接帶隙半導(dǎo)體，發(fā)光效率低，不適合做光源。硅基InAs/GaAs量子點(diǎn)激光器是目前最有希望成為片上光源技術(shù)方案。東京大學(xué)Arakawa教授是最早提出量子點(diǎn)激光器這一概念的研究者。此次研討會上，他展示了量子點(diǎn)激光器最新的研究進(jìn)展。通過flip-chip bonding方法成功實(shí)現(xiàn)了工作溫度高達(dá)125°C的量子點(diǎn)激光器陣列。使用direct wafer bonding技術(shù)，硅基混合量子點(diǎn)激光器產(chǎn)生的激光可以耦合到硅波導(dǎo)中。具有薄AlGaAs下包層的InAs / GaAs 量子點(diǎn)激光器結(jié)構(gòu)可被轉(zhuǎn)移到具有絕熱錐形結(jié)構(gòu)和分布式布拉格反射器的硅波導(dǎo)上。該激光器在脈沖電流條件下可在高達(dá)115°C的溫度下工作，其特征溫度在室溫附近（303 K）。在硅（001）晶面上實(shí)現(xiàn)直接生長的III-V QD激光器是未來單片集成的硅光光源的最終目標(biāo)之一。盡管通常通過MBE可以生長高質(zhì)量的InAs / GaAs 量子點(diǎn)，但是需要通過MOCVD生長襯底和激光器結(jié)構(gòu)之間的緩沖層。Arakawa研究組最近已經(jīng)可以在硅（001）晶面通過MBE直接生長的高質(zhì)量InAs / GaAs 量子點(diǎn)激光器。


硅基光源的Flip-chip bonding.  圖片來源：JLT 32(7), 1329-1336 (2014)

2 、大規(guī)模硅基光電子集成平臺


                          周治平教授與Koji Yamada教授

硅基光電子器件的大規(guī)模集成離不開先進(jìn)的工藝平臺。來自日本國家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所的Yamada 教授展示了 300-mm 晶片硅基光電子工藝。該工藝平臺具有出眾的加工準(zhǔn)確性、均一性和可重復(fù)性。運(yùn)用這一技術(shù)可以加工多種高性能光電子器件，比如大規(guī)模光開關(guān)矩陣和高效率光調(diào)制器。這些器件對于下一代超低能耗網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來說極為重要。
我國在大規(guī)模硅基光電子集成平臺建設(shè)方面也在不斷推進(jìn)。上海交通大學(xué)擁有20nm 電子束工藝，可進(jìn)行無源器件加工。北京大學(xué)、中科院半導(dǎo)體所具有4英寸晶圓加工能力。中國科學(xué)院微電子研究所擁有180nm、8英寸晶圓工藝，有源和無源硅基器件均可進(jìn)行加工。上海工業(yè)技術(shù)研究所同時擁有90nm 和180nm 工藝，可進(jìn)行多項目晶圓有源和無源硅基器件加工。此外，中芯國際擁有成熟的28nm，8/12英寸晶圓工藝，針對硅基光電子器件的大規(guī)模集成平臺已經(jīng)初步建立起來。

3 、硅基III-V族混合集成平臺


                             Jurgen Michel在會上做報告

由于材料的加工不兼容性，長久以來在硅襯底上單片集成III-V半導(dǎo)體材料非常具有挑戰(zhàn)性。 麻省理工的Jurgen Michel 資深研究員及其研究組通過使用新穎的雙鍵合技術(shù)，將不同的硅和非硅光電模塊集成在了同一個硅襯底上。相比傳統(tǒng)的硅基CMOS集成技術(shù)，該平臺可以發(fā)揮不同材料系統(tǒng)的優(yōu)勢，以相當(dāng)高的集成度創(chuàng)建更多功能和高性能的新型光電集成回路。其研究已經(jīng)證明了硅，GaAs和GaN層可在同一個200 mm 硅襯底上的集成。

硅光產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)在路上


                             Peter De Dobbelaere博士在會上做報告

Luxtera 是世界上第一家量產(chǎn)硅基光收發(fā)模塊的公司。其硅基光電子技術(shù)負(fù)責(zé)人 Peter De Dobbelaere展示了該公司先進(jìn)的硅光技術(shù)平臺，包括晶圓處理模塊，器件庫，光源集成，光模塊封裝技術(shù)等。在高速率數(shù)據(jù)中心通信，專用集成光電回路的設(shè)計等方面，Luxtera公司具有深厚的技術(shù)積累和豐富的經(jīng)驗(yàn)。


                             Ignazio Piacentini在會上做報告

由于測試和封裝成本在整個光模塊成本中占有最大的比重，降低測試和封裝成本對于光電子器件的產(chǎn)業(yè)化極為總要。ficonTec公司的Ignazio Piacentini 介紹了該公司在自動測試和封裝技術(shù)上的進(jìn)展，包括3D光波導(dǎo)接合技術(shù)，被動對準(zhǔn)技術(shù)，自動測試技術(shù)等。未來制約自動測試和封裝設(shè)備的關(guān)鍵問題是高產(chǎn)率下任然保持很高的良品率。中國光模塊不斷增長的市場需求，產(chǎn)量的提高，人工成本的上升都將推動自動測試和封裝技術(shù)的發(fā)展與運(yùn)用。


                              光電子芯片的自動對準(zhǔn)與封裝

上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所余明斌教授指出， 雖然近年來我國在硅基光電子領(lǐng)域也形成了完整的生態(tài)系統(tǒng)，但是在前沿研究與開發(fā)層面相比國外來說還有很大的差距，只有少數(shù)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)具備研發(fā)能力。未來，應(yīng)該加大對光電領(lǐng)域研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的扶持力度，早日實(shí)現(xiàn)高速光電子芯片的國產(chǎn)化。


                                余明斌教授在會上做報告
 
花絮


                         研討會學(xué)術(shù)氣息濃厚，提問非常踴躍


                              專家與學(xué)生共同探討問題


                              學(xué)生向教授請教學(xué)術(shù)問題


                                   茶歇時間的交流


                                     午餐會議時間


                                     專家學(xué)者間的思想碰撞


                                  會議工作人員合影

致謝

感謝北京協(xié)同創(chuàng)新研究院（BICI）, 西安光電子集成電路先導(dǎo)技術(shù)研究院（OEIC），Photonics Research，美國光學(xué)學(xué)會（OSA）, 電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE），蘇州天孚光通信股份有限公司（TFC）對本屆研討會的大力支持！