融合石墨烯光电器件的体硅CMOS单片集成光互联

The monolithically-integrated optical link is one of the most important methods to remove the intra- and inter-chip communication bottleneck of large-scale integrated circuits. However, for the most popular bulk CMOS integrated circuit process, there is still a lack of economic and feasible methods to realize the monolithically-integrated optical link. The main reason is that the there has no process support for optical structures and devices, and also there has no complete and viable scheme of process extension. This project proposes a new methodology for the monolithically-integrated optical link based on bulk CMOS process. The key point is the introduction of the graphene opto-electronic devices to resolve the lack of active devices, and the employment of back-end-of-line process extension to built complete optical link directly on integrated circuit chips. The main content of the research include two aspects, device and circuit. As for the device, based on existing graphene opto-electronic device structures, we will study the graphene optical modulator and photodetector with hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) or silicon nitride (Si3N4) waveguide. As for the circuit, we will explore the appropriate circuit and system structures for the graphene opto-electronic devices. Through this project, we will set up complete design methodology and theory for the monolithically-integrated optical link, and provide a feasible reference scheme for further research on the bulk CMOS photonic-electronic integration process.

单片集成光互联是解决大规模集成电路片上和片间互联瓶颈的重要手段，但针对目前最主流的体硅CMOS（Bulk CMOS）集成电路工艺，仍缺乏比较经济可行的单片集成光互联实现方式，究其根本原因是体硅CMOS工艺缺少对光结构和光器件的工艺支持，也缺少比较完整可行的工艺扩展方案。本项目针对体硅CMOS单片集成光互联提出了新思路和新方法。项目的关键是引入石墨烯光电器件以解决缺少有源光电器件的难题，通过后段工艺方式在体硅CMOS上扩展出完整的光电收发功能。项目将从器件和电路两方面开展相关研究。在器件方面，在现有石墨烯光电器件结构的基础上，研究基于氢化非晶硅和氮化硅材料波导的石墨烯波导光调制器和光探测器；在电路方面，研究适用于石墨烯光电器件的电路系统结构。通过项目的开展，建立比较完整的单片集成光互联设计方法与设计理论，并为进一步研究体硅CMOS光电集成工艺提供比较可行的参考方案。

本项目研究基于体硅CMOS工艺的单片集成光互联，所提出的方案是引入石墨烯光电器件以解决体硅CMOS工艺缺少有源光电器件的难题，并通过后段加工方式在体硅CMOS上扩展出完整的光电收发功能。根据所制定的研究计划，项目主要围绕器件结构、制造工艺和高速前端电路等三个方面开展深入研究。目前，所涉及的大多数关键工作都已经基本完成，取得了相关关键数据和重要结果，形成了比较完整的设计理论与设计方法，达到预期研究目标。在器件方面，确定了基于氮化硅波导的石墨烯光电器件结构，在此基础上提出了基于脊型波导的嵌入型结构和基于狭缝波导的结构，所提出的器件结构不仅兼容体硅CMOS工艺，而且相比传统结构可以获得更好的性能；在工艺方面，针对后段加工方式，研究了电子束和紫外光刻工艺、氮化硅材料的生长与图形化、石墨烯材料的转移与图形化、多种金属薄膜的沉积与剥离、石墨烯在多层薄膜上的光学对比度、石墨烯上沉积氮化硅等制造工艺问题，每一步工艺都进行了反复试验和琢磨，确定了其可行性和最佳方式、方法和参数，形成了比较完整的器件制作工艺流程；在电路方面，研究了Active-feedback、Negative Capacitance等技术，在此基础上设计了发送和接收电路，并进行了验证，研究了可实现更高带宽的Inductive-peaking电路结构，重点研究了Helical多层电感和Helical多层耦合电感器件，提出了相应的等效电路模型，并进行了验证。同时，针对一些单片光电集成中所需要的重要辅助电路也进行了研究，如高速ESD静电保护电路、温度传感电路、高速轨至轨比较器电路等。通过本项目研究的开展，进一步确认了基于体硅CMOS工艺构建单片集成光互联的可行性，建立了比较完整的设计方法与设计理论，并为研究体硅CMOS光电集成工艺提供了可行的参考方案。