7/21/2018，由北京協(xié)同創(chuàng)新研究院主辦，北京大學信息科學技術學院硅基光電子及微電子系統(tǒng)實驗室承辦的光電集成前沿技術研討會于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的發(fā)展方向。


                         2018光電集成前沿技術研討會現(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、測試技術”，“硅基光源研究與應用”，“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技術研究院，北京大學，東京大學，Luxtera公司，美國麻省理工學院，日本國家先進工業(yè)科學技術研究所，上海微系統(tǒng)與信息技術研究所，ficonTEC公司的管理者與資深專家應邀出席并做相關報告。

此次研討會針對硅基單片集成技術中的難點， 為光電子集成領域的發(fā)展提供了一個專業(yè)的分享最新研究成果、討論未來技術發(fā)展方向和應用場景的平臺。以此為契機，拓寬與會者的研究領域，幫助其了解最前沿的光電子芯片技術，尋找技術路線，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迅猛發(fā)展。作為關鍵的支撐技術，集成光電子技術變得越來越重要和不可或缺。 硅基光電子技術利用成熟的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。現(xiàn)在，硅基光電子技術被廣泛接受為下一代通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)互連的關鍵技術。 此外，在高性能計算，生物醫(yī)學和傳感等領域，硅基光電子也有重要的應用價值。


                             周治平教授在會議上做報告

北京大學周治平教授指出，長時間以來硅基光電子集成被廣泛認為是能夠顯著降低通信成本的技術方案。硅基光電子器件與微電子CMOS工藝兼容這一獨特優(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)中心等領域具有廣闊的應用前景。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用場景方面更具有競爭力。利用多晶硅材料，可將波導、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

硅是間接帶隙半導體，發(fā)光效率低，不適合做光源。硅基InAs/GaAs量子點激光器是目前最有希望成為片上光源技術方案。東京大學Arakawa教授是最早提出量子點激光器這一概念的研究者。此次研討會上，他展示了量子點激光器最新的研究進展。通過flip-chip bonding方法成功實現(xiàn)了工作溫度高達125°C的量子點激光器陣列。使用direct wafer bonding技術，硅基混合量子點激光器產(chǎn)生的激光可以耦合到硅波導中。具有薄AlGaAs下包層的InAs / GaAs 量子點激光器結構可被轉移到具有絕熱錐形結構和分布式布拉格反射器的硅波導上。該激光器在脈沖電流條件下可在高達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之一。盡管通常通過MBE可以生長高質(zhì)量的InAs / GaAs 量子點，但是需要通過MOCVD生長襯底和激光器結構之間的緩沖層。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)模集成離不開先進的工藝平臺。來自日本國家先進工業(yè)科學技術研究所的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確性、均一性和可重復性。運用這一技術可以加工多種高性能光電子器件，比如大規(guī)模光開關矩陣和高效率光調(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方面也在不斷推進。上海交通大學擁有20nm 電子束工藝，可進行無源器件加工。北京大學、中科院半導體所具有4英寸晶圓加工能力。中國科學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行加工。上海工業(yè)技術研究所同時擁有90nm 和180nm 工藝，可進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，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，該平臺可以發(fā)揮不同材料系統(tǒng)的優(yōu)勢，以相當高的集成度創(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。其硅基光電子技術負責人 Peter De Dobbelaere展示了該公司先進的硅光技術平臺，包括晶圓處理模塊，器件庫，光源集成，光模塊封裝技術等。在高速率數(shù)據(jù)中心通信，專用集成光電回路的設計等方面，Luxtera公司具有深厚的技術積累和豐富的經(jīng)驗。


                             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上的進展，包括3D光波導接合技術，被動對準技術，自動測試技術等。未來制約自動測試和封裝設備的關鍵問題是高產(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的發(fā)展與運用。


                              光電子芯片的自動對準與封裝

上海微系統(tǒng)與信息技術研究所余明斌教授指出， 雖然近年來我國在硅基光電子領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)研究機構和企業(yè)具備研發(fā)能力。未來，應該加大對光電領域研究機構和企業(yè)的扶持力度，早日實現(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


                         研討會學術氣息濃厚，提問非常踴躍


                              專家與學生共同探討問題


                              學生向教授請教學術問題


                                   茶歇時間的交流


                                     午餐會議時間


                                     專家學者間的思想碰撞


                                  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技術研究院（OEIC），Photonics Research，美國光學學會（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！