硅光子芯片工艺与设计的发展与挑战

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1、硅光子芯片工艺与设计的发展与挑战　　　：针对硅光子器件的特殊性提出了与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容的硅光工艺开发的基本原则和关键问题。相比于工艺，硅光在芯片设计的方法和流程方面面临更多的挑战，例如硅光子技术与CMOS工艺兼容性，可重复IP制定及复杂芯片的快速设计等。故充分利用先进的半导体设备和工艺、个别工艺的特殊控制、多层次光电联合仿真是硅光子芯片从小规模设计走向大规模集成应用的关键。光子链路的仿真、器件行为级模型、版图的布局布线及验证等是硅光芯片走向成熟的关键。　　关键词：硅基光子学；设计方法；设计流程

2、；大规模集成　　Abstract：Inthispaper，thefundamentalprinciplesandkeyissuesofthesiliconopticalprocesspatibleentarymetaloxidesemiconductor（CMOS）aredescribed.Siliconopticsfacesmanychallengesintermsofchipdesignmethodsandprocesses，includingtheprocesspatibilityofCMOSandsilico

3、nphotonics，thedesignofrepeatableIPandthequickdesignofplicatechips.Toachievethechangefromsmallscaledesigntothelargescaleintegratedapplication，someissuesshouldbeemphasized，includingthefulluseoftheadvancedsemi-conductorequipmentandprocess，thecontrolofsomespecialpr

4、ocessesandthesimulationanddesignofopto-electronicsdevices.Andtheopticallinksimulation，behaviorlevelmodel，floorplanning，placementandrouting，andthelayoutverificationarethekeyfactorstothematurityofsiliconopticalchip.　　Keyethodology；designfloily:微软雅黑,Helvetica;font

5、-size:16px;"/>　　硅光子集成技術，是以硅和硅基衬底材料（如SiGe/Si、SOI等）作为光学介质，通过互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的集成电路工艺制造相应的光子器件和光电器件（包括硅基发光器件、调制器、探测器、光波导器件等），并利用这些器件对光子进行发射、传输、检测和处理，以实现其在光通信、光互连、光计算等领域中的实际应用。硅光子技术结合了以微电子为代表的集成电路技术的超大规模、超高精度的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势。在过去几十年里，作为现代集成电路产业基石的CMOS工艺取得了令人瞩目的

6、发展。　　而硅光子集成技术作为依存在CMOS工艺之上的一个新兴技术方向，从设计方法、设计工具和流程、基于工艺平台的协同设计等方面很大程度上参考和借鉴了微电子对应的内容。特别是最近几年，硅光子单芯片集成也像集成电路领域经典的摩尔定律描述的那样，每隔一段时间集成的器件数量翻番，从而能在相同面积的芯片上实现更多的功能[1]。很多CMOS晶圆厂及中试平台不断采用更先进的工艺进行硅光芯片及硅光芯片与电芯片的集成研究[2-3]，这为硅光芯片打开了大规模集成应用的大门。硅光芯片的设计者能比较便利地享受晶圆厂成熟工艺的流片服务，这是

7、硅光芯片能实现广泛商业化的前提之一。另外一个前提是：类比集成电路领域，需要有一套固化的设计流程，以得到更加完善的电子设计自动化（EDA）工具的支持和基于单元器件库的设计方法。　　1硅光工艺的开发　　1.1硅光子的特殊性　　硅光子和微电子都是基于硅材料的半导体工艺，因此将集成光子工业基于微电子工业之上，使用硅晶作为集成光学的制造平台将是硅光子工艺平台的最佳选择。这将使全球历时50年、投入数千亿美元打造的微电子芯片制造基础设施可以顺利地进入集成光器件市场，将成熟、发达的半导体集成电路工艺应用到集成光器件上来，集成光学的工

8、业水平会得到极大提高，这正是目前发展良好的硅光子技术的发展思路。　　然而，硅光子相对于微电子工艺有其特殊性，不作修改的微电子工艺平台无法制备出高性能的硅光子器件。因此CMOS只能提供硅基光电子加工设备，具体的工艺制备流程仍需开发。相对于微电子工艺，硅光子特殊性主要表现在以下几个方面：　　（1）总体路径。硅光子当前的发展水平相当于20世纪80年代