硅基光子学国内外研究现状及发展趋势.pdf

"硅基光子学国内外研究现状及发展趋势.pdf" 硅基光子学是现代微电子产业的基石，但其发展已接近极限。为解决这一问题，科学家们将光子技术和微电子技术集合起来，发展硅基光电子科学和技术。硅基光电子学包括硅基光子材料、硅基光子器件和硅基光子集成三个主要方面。 硅基光子材料是硅基光电子学的基础。当前，硅基纳米发光材料的研究重点是如何有效地控制硅纳米晶粒的尺寸和密度，以形成具有小尺寸和高密度的有序纳米结构。制备方法有：通过独立控制固体表面上的成核位置和成核过程实现自组织生长；在掩蔽图形衬底上的纳米结构生长；扫描探针显微术的表面纳米加工；全息光刻技术的纳米图形制备以及激光定域晶化的有序纳米阵列形成等。 硅基光子晶体也是一种重要的材料，它具有合成的微结构、周期性变化的折射率以及与半导体潜在电子带隙相近的光子带隙。根据能隙空间分布的特点，可以将其分为一维、二维和三维光子晶体。光子晶体的实际应用是人们所关注的焦点，而与成熟的硅工艺相结合是人们非常看好的方向。 硅基光子器件是硅基光电子学的核心。硅基发光二极管作为硅基光电子集成中的光源，硅基发光二极管（Si-LED）的实现是硅基光电子学研究中的一个主攻方向。目前的研究重点有：如何采用适宜的有源区材料，实现其高效率和高稳定度的发光；从器件实用化角度考虑，如何实现Si-LED在室温下的电致发光。 硅基激光器也是一种重要的器件，人们已初步提出了三种能产生光增益或受激辐射的增益介质材料，即具有高密度和小尺寸的有序硅纳米晶粒，基于内子带跃迁的硅/锗量子级联结构和具有受激喇曼散射特性的绝缘硅（SOI，Silicon-On-Insulator）光波导结构。 硅基光探测器是硅基光电子集成中的光信号接收器件，它应具有良好的光响应特性，较高的探测灵敏度，小的暗电流和宽频带等优点。 硅基光调制器是利用材料折射率的变化，对传输光的相位和波长进行调制的光波导器件。由于硅材料不具有线性光电效应，所以一般硅基光调制器和光开关是基于硅的热光效应和等离子色散效应而设计的。 硅基光子学集成是硅基光电子学的终极目标。虽然目前还没有研制出硅光电子集成芯片，但研究人员已提出了两种可供参考的集成方案：光电混合集成和单芯片集成。但硅基光子集成工艺却有着很大难度，这是因为：光子器件和电子器件的结构复杂，两者在结构设计上存在着能否相互兼容的问题；制作工艺繁杂，因而存在着各种工艺和前后工序之间能否相互兼容的问题；电互连、光互连与光耦合等问题。 在国际上，美国哥伦比亚大学纳米光学实验室（Optical Nanostructures Laboratory）、美国加州大学洛杉矶分校工程学院纳米光电子实验室（UCLA Nano-Opto-Electronics Laboratory）等机构都是硅基光子学研究的主要机构。他们在硅基光子材料、硅基光子器件和硅基光子集成等方面取得了巨大的进展。