異質(zhì)集成技術(shù)：引領(lǐng)光電芯片領(lǐng)域，超越光通信應(yīng)用的廣闊新境界

  摘要

  光電芯片最初主要為電信通信行業(yè)開發(fā)，但其應(yīng)用逐步擴展到光譜、增強現(xiàn)實、量子技術(shù)等新興領(lǐng)域。這些應(yīng)用覆蓋從紫外線到可見光再到紅外線的廣泛波長范圍，需要研發(fā)新的低損耗波導平臺材料。本文回顧了芯片上發(fā)光技術(shù)，異質(zhì)集成III-V增益材料被定位為最可行的方法，可以實現(xiàn)復(fù)雜的單片光子系統(tǒng)解決方案，具有高性能和高良率。

  簡介

  30多年來，光子集成電路的研發(fā)重點放在滿足數(shù)據(jù)和電信通信需求，針對1310nm和1550nm波長進行優(yōu)化，因為這是硅光纖損耗最小的波長。但是，許多新興應(yīng)用需要在其他波長工作，因此需要PIC的波長覆蓋范圍從紫外線擴展到紅外線及介于之間的可見光譜。像增強/虛擬現(xiàn)實、量子計算、光譜和生物傳感、導航系統(tǒng)、射頻光子技術(shù)和光子原子鐘等新興應(yīng)用都有不同需求，推動著對寬帶PIC芯片的研發(fā)。表1總結(jié)了一些關(guān)鍵指標。例如，基于離子/原子捕獲的量子技術(shù)或操縱量子糾纏光子技術(shù)，工作波長取決于選定的離子/原子。擴大量子計算機規(guī)模極大地促進光電芯片技術(shù)發(fā)展。光譜傳感器需要寬帶可調(diào)諧光源或光頻梳來通過分子的光學諧振識別目標分子。

  為解決這些應(yīng)用需求，需要研發(fā)：

  · 覆蓋全部波長范圍(從紫外線到紅外線)的無源波導平臺

  · 整個波長范圍內(nèi)的芯片上發(fā)光技術(shù)

  · 將有源光電組件(如光學增益器)與無源波導集成在一起的技術(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)級光電芯片解決方案

  本文回顧了無源波導的前景材料體系，通過直接激光發(fā)射或頻率轉(zhuǎn)換跨越可見光波長的方法，以及集成III-V增益材料的方法實現(xiàn)了完整的光子集成。評估的技術(shù)包括異質(zhì)集成、光子線鍵合(photonic wire bonding)、轉(zhuǎn)印和混合組裝(hybrid assembly)。其中，異質(zhì)集成提供最佳性能、可靠性和商業(yè)化可行性，用于復(fù)雜集成光子系統(tǒng)。

  表1總結(jié)新興市場垂直領(lǐng)域的一些應(yīng)用驅(qū)動因素和規(guī)范 [1]

  無源波導平臺

  用于無源波導的材料平臺選擇對實現(xiàn)所需波長范圍內(nèi)的低損耗光傳播非常重要。圖1介紹各種材料體系與目標應(yīng)用/波長和可用的光譜帶的匹配情況。

  由于具有超低損耗(<0.1 dB/m)、400nm到>2μm波長范圍寬帶透明和與CMOS工藝兼容(可利用硅設(shè)備生態(tài)系統(tǒng))，氮化硅(SiN) 已成為眾多應(yīng)用首選的波導材料?；诔蛽p耗SiN波導的芯片實現(xiàn)了III-V微型激光器和光頻梳高效運行。SiN的χ(2)和χ(3)非線性效應(yīng)也實現(xiàn)頻率生成。SiN折射率不易受制程變異影響。300mm晶圓級可以實現(xiàn)異常高均勻性和良率。SiN沉積簡單，性能卓越，與電子集成兼容，成本效益最佳，適合大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。

圖1顯示無源波導平臺可以覆蓋紫外到紅外廣泛波長范圍。增益材料也覆蓋廣范圍波長。

已開發(fā)出三個關(guān)鍵通信波長范圍，分別是850nm、1310nm 和 1550nm。

但是跨行業(yè)的許多新興應(yīng)用需要紫外到紅外范圍的集成光子芯片。

未來系統(tǒng)需要覆蓋從紫外到紅外的寬波長范圍的PIC。

圖2. SiN以最佳性能提供芯片內(nèi)傳輸，在1550nm波長下具有約0.1dB/m的損耗，950nm波長下小于1dB/m的損耗，可

在(1)200mm或(4)300mm晶圓上大規(guī)模生產(chǎn)制造。進一步降低損耗可能會增加與有源元件的共集成復(fù)雜性。

  氧化鉭(Ta2O5) 由于比SiN的光熱系數(shù)更低而受關(guān)注，是另一種波導材料體系。這有助于最大限度減少集成激光器中的溫度折射噪聲。Ta2O5高折射率對比使非線性光學器件可以實現(xiàn)更小的體積。Ta2O5微諧振器已經(jīng)展示出高效的光頻梳生成。從理論上講，Ta2O5的紫外線透明度可達300nm，適合于可見光/紫外應(yīng)用。但是，Ta2O5的光學損耗遠高于創(chuàng)記錄的低損耗SiN波導。Ta2O5的低沉積溫度有助于與其他光子組件的集成，這些組件具有受限的溫度預(yù)算。

  鈮酸鋰(LiNbO3)在可見光到中紅外范圍透明。由于強大的電光、聲光、非線性效應(yīng)和光彈性效應(yīng)，LiNbO3實現(xiàn)高性能集成光調(diào)制器和高效波長轉(zhuǎn)換。但是，與標準微加工工藝的兼容性問題、鈮酸鋰肖特基結(jié)構(gòu)晶圓的高成本、尤其是短波長下的光功率處理問題以及溫度敏感性問題仍然存在。盡管如此，LiNbO3集成光子芯片獨特功能仍適用于經(jīng)典光子和量子光子特殊應(yīng)用。

  其他材料平臺如氮化鋁(AlN)或氧化鋁(Al2O3)的工作波長更短，可延伸至300nm以下的紫外線?？傮w來說各材料都有優(yōu)缺點，異質(zhì)集成可以根據(jù)需要，將各種無源波導與相應(yīng)有源光電組件組合在一起。

  片上光源

  方法有兩種：

  直接發(fā)射：這是特定波長激光器制作首選方法，使用 GaN、GaAs、InP等材料。但是，在綠黃色范圍(535-630 nm)內(nèi)無法直接實現(xiàn)激光發(fā)射。這一范圍仍在研究如何使用LED或光泵浦來填補。

  頻率轉(zhuǎn)換：這是在可見光和近紅外波段生成光的另一種方式，使用頻率倍增、三倍增或光參量振蕩等非線性過程。這些方法需要良好的相位匹配，并對制程公差敏感，可能限制可擴展性和良率。目前這是使用PIC發(fā)出綠黃色范圍的光的唯一途徑。

  增益集成策略

  無源波導和波長轉(zhuǎn)換是重要組件，但半導體光放大器和激光等有源光電組件對完整光子系統(tǒng)級芯片至關(guān)重要。 將這些III-V器件與無源波導集成，可以通過不同技術(shù)實現(xiàn)，各有利弊。

  混合組裝(Hybrid integration)利用點對點組裝將單獨制造的光子芯片組合在一起進行封裝?？梢詫崿F(xiàn)高性能，但是因為每個器件需要手動調(diào)整，難以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，限制低成本消費類應(yīng)用采用。 由于集成元件的熱膨脹系數(shù)不匹配，也會出現(xiàn)可靠性問題。

  光子線鍵合(photonic wire bonding)通過3D納米打印在粘貼在共享基板上的切片組件之間創(chuàng)建光學橋接，以改善耦合模式重疊。但是，制造難度較大，尤其是短可見波長。后期加工組裝也為復(fù)雜多芯片集成帶來可擴展性障礙。目前沒有商業(yè)晶圓廠采用這種方法。

  轉(zhuǎn)印技術(shù)使用彈性模具和表面化學修飾，將薄膜器件直接拾取打印到共用光子基板上。盡管多年研究，但從基礎(chǔ)演示到含有光學增益或電流注入的復(fù)雜集成系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變尚有困難，特別是那些系統(tǒng)。 對薄膜III-V的依賴也限制光輸出功率。與納米線鍵合類似，轉(zhuǎn)印技術(shù)應(yīng)用仍局限在學術(shù)界，沒有批量商業(yè)化采用。

  與此形成對比，異質(zhì)集成已經(jīng)成功地在多個技術(shù)世代用硅基光電子技術(shù)上整合了InP 激光器和放大器，這最初是在加州大學圣巴巴拉分校首創(chuàng)，現(xiàn)在已由英特爾使用互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 的晶圓廠基礎(chǔ)設(shè)施擴展到 300mm 晶圓的批量生產(chǎn)。該方法將未圖形化的III-V外延層鍵合到完成的無源波導上，然后在此基礎(chǔ)上光刻定義III-V 器件和互連(圖3)。

  這種晶圓級的工藝可以確保耦合的有源和無源組件之間實現(xiàn)精確對齊。III-V薄膜的厚度和外延層結(jié)構(gòu)可以根據(jù)目標波長和應(yīng)用進行優(yōu)化。超過10μm的鍵合薄膜可以實現(xiàn)高光輸出功率，同時與晶圓級自動化半導體工具保持兼容。鍵合前篩選空白III-V供體晶圓可以通過消除材料缺陷提高良率。晶圓級探針測試還可以確保每批組件的性能均勻性。

圖3. 異質(zhì)III/V材料與SiN的集成，包括GaN、GaAs(兩種類型)和InP四種類型的增益材料的集成。

  這些與CMOS兼容的異質(zhì)集成技術(shù)已經(jīng)拓展至將高能隙材料(如GaAs 和 GaN發(fā)光器)集成到SiN波導上(圖4)，可在可見光和紫外線波長提供光學增益。與此同時，由于在生物傳感等應(yīng)用中得到廣泛商業(yè)化應(yīng)用，可以進行SiN工藝的300mm晶圓廠生態(tài)系統(tǒng)繼續(xù)擴大。同樣的規(guī)模經(jīng)濟也促進異質(zhì)集成光子與新興市場的應(yīng)用，可以降低成本。

圖4. 異質(zhì)集成過程首先包括在硅基底上制造如波導等被動組件。

接著，將III-V晶片鍵合到硅晶圓上，并通過光刻工藝將其圖案化成與下方被動組件對齊的有源器件。

粗略的預(yù)鍵合對齊后，進行整個晶圓上的精細光刻對齊。未圖案化的III-V芯片可以預(yù)先篩選以提高產(chǎn)量。

最終結(jié)果是一種集成了不同III-V有源器件和硅無源組件的混合晶圓。

  與轉(zhuǎn)移或鍵合現(xiàn)成器件不同，異質(zhì)集成通過在晶圓級上直接在劃片前將光增益組件與下面的無源波導對齊來形成。這使復(fù)雜光電路實現(xiàn)前所未有的集成度成為可能。即使某些應(yīng)用需要的特殊功能與SiN或硅基光電子工藝難以協(xié)同集成，異質(zhì)集成也支持樂高式的混合匹配方法來制造精密的多芯片光子系統(tǒng)。將不同的有源III-V薄膜和無源波導組合在一起為系統(tǒng)提供廣泛的靈活性，同時保持與標準光刻工藝的兼容。

  異質(zhì)集成的成熟性和可靠性已通過多年技術(shù)開發(fā)、大量驗證和Intel硅基光電子收發(fā)器的高容量制造而得到驗證。相比學術(shù)界的替代方案如轉(zhuǎn)印或光子線鍵合，它可以提供卓越的性能、良率和可擴展性，且成本更低。異質(zhì)集成光子生態(tài)供應(yīng)鏈已經(jīng)過行業(yè)驗證，是推動下一代光電芯片的領(lǐng)先候選，用于服務(wù)新興近可見光和紅外線應(yīng)用，如增強現(xiàn)實、量子技術(shù)、光子原子鐘和生物傳感。

  可見光的挑戰(zhàn)和技術(shù)路線圖

  盡管對增強現(xiàn)實顯示、量子密碼等從紫外到紅外范圍內(nèi)的新興應(yīng)用充滿期待，但除光通信外，大多數(shù)光子市場規(guī)模仍小且分散，給可持續(xù)制造和晶圓廠基礎(chǔ)設(shè)施帶來挑戰(zhàn)。確定更大的“殺手級”垂直目標細分市場段可以極大地激發(fā)進一步的研發(fā)與投入。成功的量產(chǎn)案例可以驗證技術(shù)路徑，為未來技術(shù)路線圖提供指引。

  例如，集成有RGB可見光激光或投影儀的PIC的增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實顯示可能實現(xiàn)數(shù)百萬量產(chǎn)，進入消費市場。芯片級激光雷達也可為自動駕駛車輛打開巨大市場。量子加密或隨機數(shù)生成產(chǎn)品保護新興的區(qū)塊鏈基礎(chǔ)設(shè)施。光子生物傳感器可以唯一檢測與疾病或環(huán)境威脅相關(guān)的生物標志物。 這些任何一個領(lǐng)域都蘊含10億級產(chǎn)品的機會，足以吸引晶圓廠投入新型集成光子組件和異質(zhì)主動與無源技術(shù)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化。

  在技術(shù)上，業(yè)界仍在繼續(xù)研發(fā)外延生長技術(shù)以徹底彌補約550-590nm綠黃色范圍內(nèi) III-V 激光直接發(fā)射的空白。這有望實現(xiàn)370-1700nm+的電泵浦激光器覆蓋，一旦完全實現(xiàn)。具有增強溫度穩(wěn)定性的激光器還可以支持PIC在惡劣環(huán)境下無需制冷。

  異質(zhì)集成工藝必須從850nm波長范圍的電信激光器擴展至吸收所有相關(guān)III-V材料，如GaAs、GaN、InP及它們的合金，覆蓋可見光和紫外線波長范圍。 這包括開發(fā)適合高能隙材料的蝕刻化學品、表面鈍化處理和接觸金屬化。疊加不同材料需要管理熱膨脹失配。 但硅光子收發(fā)器已證明存在與溫度預(yù)算兼容的解決方案。

  未來的異質(zhì)光電芯片可能會向同封裝的光電芯片演進，組合各種晶圓級集成的功能子系統(tǒng)，作為全面單片集成多個主動材料在共享三層無源波導襯底上的中間步驟(圖5)。 新一代硅光子晶圓廠通過硅基薄膜III-V外延篩選這一前景。

圖5. 集成光電芯片的發(fā)展以應(yīng)對新興應(yīng)用，從(1)載體上的共封裝芯片開始，到(2)異質(zhì)集成，目前正在商業(yè)化應(yīng)用于單一III/V增益材料

覆蓋的子頻段(見圖1和圖4)，然后是(3)多個異質(zhì)芯片的共封裝，最終實現(xiàn)(4)單芯片解決方案的完全異質(zhì)集成。復(fù)雜性的增加需要更大的生產(chǎn)量來

證明開發(fā)成本的合理性。

  結(jié)論

  SiN無源波導實現(xiàn)寬帶低損耗的可見光到紅外線傳輸，這種與CMOS工藝兼容的解決方案非常適合消費級增強現(xiàn)實顯示、生物傳感器、導航陀螺儀和量子光子技術(shù)。通過異質(zhì)鍵合技術(shù)，如將不兼容的III-V化合物半導體和鈮酸鋰集成在一起，可以實現(xiàn)包含發(fā)射、調(diào)制和檢測在內(nèi)的完整光子集成電路的晶圓級制造。這種方法在硅基光電子收發(fā)器中的可靠性已經(jīng)得到驗證。將異質(zhì)集成拓展到可見光波段，開創(chuàng)性地實現(xiàn)新興應(yīng)用的可擴展及基于量產(chǎn)晶圓廠可制造性的光電芯片。

  參考資料

  [1]Zhang， Chong， et al. "Integrated photonics beyond communications." Applied Physics Letters 123.23 (2023).