硅光电子集成电路与CMOS器件的集成有较大的市场需求

利用光互连可以有效地实现宽带、高速和低功耗的数据通信，所以硅光电子集成电路与 CMOS 器件的集成具有较大的市场需求。可在硅片上集成的光学元件包括光波导、光探测器、发光二极管 （LED）、Mach-Zehnder 调制器 （ MZM）和激光器（Laser） 等。光学收/发IC包括光源、调制器（含控制回路）、光探测器和收/发电路。硅光电子集成电路的制造必须基于高技术水平的 CMOS 工艺，具有深亚微米特征与精度，并能实现量产。各种光学元件对工艺的不同技术要求简述如下。

（1）波导管（ Wave-Guides）：光信号要在低损耗的波导管中传导。光信号的分路和路由必须经过波导带通滤波器，光信号传输到光纤也要经过光与芯片之间的耦合作用来实现，特别是亚微米硅波导管对光信号偏振 （Polarization）有极灵敏的影响，因此要求硅波导管必须具有精准的 CD、层厚度和光学质量（如光信号不被过多地吸收，避免粗糙表面上的散射等）。由于受工艺的影响，必须对工作波长进行调节或用电路进行主动补偿，所以需要将硅光子集成电路与CMOS电路集成在单个芯片上（或进行混合 3D 集成），从而形成高性能的硅光电子集成电路。

（2）光探测器、调制器和激光器 （Photo-Detectors， Signal Modulators andLaser）：可以通过光电二极管将光信号转换成电信号。利用嵌入式二极管（在Si衬底上选择性外延生长 Ge）或电容器可以修正硅波导中的载流子密度，从而产生相位或振幅调制，使电信号耦合到光载波中。激光器光源可以用III-V族工艺集成在单片IC上，进而外贴（Bonding）或片外耦合在CMOS 集成电路芯片上。目前，宽带隙的氮化镓（GaN））已被广泛应用于制作蓝光 LED。

如图 6-12 所示，将硅光子器件集成在标准的 CMOS/SOI 上，只需要增加两道工序模块：沟糟刻蚀模块，以形成光学器件（如波导、耦合器等）；选择性 Ge 外延生长，以在硅片上集成光电探测器。在这个硅光 子/CMOS 工艺平合上可以形成各种硅光电子结构模块，如波导管、光学I/0、相位/振幅调制器和光探测器。光学I/0（如光栅耦合器）在标准单模光纤中应具有非常小的耦合损耗。

光电子器件也可集成在已有异质集成的 CMOS/SOI工艺平合上，如将Ge/SiGe/III-V族化合物集成在 CMOS SOI 单晶片上，如因 6-13 所示。具有应变结构的 SiGe 可以增强等离子体的色散效应，降低空穴的等效质量，因此可以提高光调制器的效率。锗基的光子器件 （纳米线波导）已展示出在中红外线上的应用。另外，在高质量的光子绝缘层上，III-V（III-V-OI） 晶片上可以直接用圆片接合技术形成光电子器件，如 InGaAsP 纳米线（包括光学开关和光探测器），目前在硅片上外延生长III-V族化合物的工艺已展现出III-V-OI圆片的可制造性。

审核编辑：彭静