硅光学习-37-CMOS光子学：光电子集成平台-1

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接下来主要通过剖析Luxtera公司CMOS光子技术的发展历程，阐述了工艺流程、器件设计与系统设计之间紧密的共生关系。重点探讨了在商业CMOS工艺中集成锗光电二极管等光电器件所面临的挑战，这种集成需确保不影响电子器件性能及工艺流程的可制造性。

硅光子学作为一门学科，主要利用硅的光学和电学材料特性。目前已报道了多种将硅光子器件集成到更高层级系统的方案，涵盖了从混合集成到单片集成的全光谱实现方式。

Luxtera公司采用互补金属氧化物半导体(CMOS)优先策略开发硅光子技术，通过在成熟稳定且特性明确的CMOS工艺基准线上逐步增加工艺模块，实现光学功能。这一策略的驱动力既源于希望利用最先进工具组运行的尖端制造工艺，以及CMOS设计和制造各领域的持续改进成果；同时也源于建造和维护先进节点的CMOS产线所需巨额成本的经济现实。由于无法仅凭新兴光电应用来建设和维持这样一座晶圆厂，Luxtera作为商业实体，这一属性深刻影响了其集成路线的选择。应用场景、工艺技术和器件设计必须统筹考量，器件与技术之间的权衡取舍需与具体应用需求进行交叉验证。

该应用定义了所需功能并在一定程度上决定了设备的性能表现。在研究中发现，系统、器件与制程之间的耦合关系极为紧密（如图1所示）。

图1、Devices, process,and applications are stronglyinterrelated

正如电子器件领域，光学器件的性能同样受限于CMOS工艺能力及其在特定制程节点（如光刻精度、蚀刻深度控制等）的局限性。因此，器件性能的提升路径与制程进步密切相关。虽然采用不同材料体系可实现更优异的单体器件，但这些方案目前尚无法支持高水平的系统集成。集成优势的实现更可能体现在系统层级而非器件层面。理想的应用领域需具备可预测的发展路线图，并能与CMOS技术的预期进展形成交叉点。Luxtera选择光互连作为目标应用领域，正是由于其性能（速度、功耗）与市场规模（成本）的扩展需求，与CMOS技术特有的扩展特性高度契合。

Luxtera公司采用的路径是将所有光子元件集成到标准CMOS工艺的前端工序中。

1、前端集成的理论基础

Luxtera公司的核心理念是将通用电子设计与制造工艺延伸至光学元件领域：希望光子学能成为集成电路设计师工具库中的常规组成部分，用以创造具有附加功能的复杂电路与系统。因此，目标是让光学元件像晶体管、电阻器、电容器一样成为基础元件。更重要的是，这些光学元件要与基础电子器件同步构建在同一硅基板上，从而确保其与CMOS工艺完全兼容，并能受益于硅加工技术的进步。这些考量正是推动前端集成技术发展的关键因素。

图2展示了前端集成方案的示意性剖面图，呈现了电子器件（晶体管）、无源光学器件（波导）、有源光学器件（调制器）以及光电探测（锗基波导光电探测器）的单片集成结构，所有这些组件都将在后续进行讨论。

图2、Schematic cross-section of a photonically enabled CMOS process

显然，光数据传输链路中唯一缺失的元件是光源。尽管关于硅基增益介质在光学元件单片集成的研究仍在进行中，截至文章撰写时（2010年），各项技术仍远未达到商业应用成熟度，因此Luxtera产品采用与CMOS光子芯片混合共封装的外部激光器方案。

2、SOI 衬底设计

绝缘体上硅（SOI）衬底历来是制造光学器件的首选晶圆，因为它们在二氧化硅埋层上提供了高质量的晶体硅层，该埋层可作为任何基于波导器件的内置包层。过去10年间，SOI也成为微电子领域的标准技术，从而推动了SOI衬底的发展。因此，CMOS SOI工艺自然成为光子集成起点的绝佳选择。

在Luxtera公司启动工艺开发时，已有若干SOI工艺节点可供选择，当时最先进工艺水平约为130-90纳米（指该工艺可印刷最细金属线的半节距）。飞思卡尔（当时仍属摩托罗拉）同意成为Luxtera的开发合作伙伴，得以使用其130纳米SOI工艺。该工艺曾广泛应用于高性能PowerPC微处理器的制造。选择130纳米SOI工艺是明智之举，因其电子性能足以支持设计通信系统中10Gbps的模拟电路（如跨阻放大器、调制器驱动器、时钟数据恢复电路等）。

然而看似天作之合的方案却存在固有缺陷：为电子器件设计的SOI衬底通常具有较薄的顶部硅层，在更先进节点中厚度仅为100纳米或更薄。这种厚度与设计高限制单模波导存在根本矛盾——工作波长（此处讨论范围为1310-1550纳米）的光模场将显著溢出硅层边界，导致三大副作用：依赖硅材料重叠的电光效应效率低下、弯曲半径性能劣化、以及需要极厚的埋氧层来防止硅衬底漏光（否则会导致波导高传播损耗）。

因此，必须增加顶部硅层厚度以实现高性能光学元件，但这会改变（不一定是劣化）晶体管相较于原始工艺的性能表现。虽然看似影响不大，却需要额外开发工作，例如重新提取工艺中所有电子器件的模型参数。精确的模型对设计高良率CMOS电路至关重要。

Luxtera最终选定的顶部硅层厚度（数百纳米量级）是对晶体管特性、波导损耗、光栅耦合器效率、调制器效率等多参数进行全局优化的结果，旨在构建光数据传输系统。若目标应用不同，厚度优化方案可能大相径庭。