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(kuò)展到光譜、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、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(dǎo)平臺(tái)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(shí)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(diǎn)放在滿足數(shù)據(jù)和電信通信需求，針對(duì)1310nm和1550nm波長進(jìn)行優(yōu)化，因?yàn)檫@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(kuò)展到紅外線及介于之間的可見光譜。像增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)、量子計(jì)算、光譜和生物傳感、導(dǎo)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(dòng)著對(duì)寬帶PIC芯片的研發(fā)。表1總結(jié)了一些關(guān)鍵指標(biāo)。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(kuò)大量子計(jì)算機(jī)規(guī)模極大地促進(jìn)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(xué)諧振識(shí)別目標(biāo)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(dǎo)平臺(tái)

  · 整個(gè)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(xué)增益器)與無源波導(dǎo)集成在一起的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)光電芯片解決方案

  本文回顧了無源波導(dǎo)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(shí)現(xiàn)了完整的光子集成。評(píng)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(dòng)因素和規(guī)范 [1]

  無源波導(dǎo)平臺(tái)

  用于無源波導(dǎo)的材料平臺(tái)選擇對(duì)實(shí)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(biāo)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(dǎo)材料?；诔蛽p耗SiN波導(dǎo)的芯片實(shí)現(xiàn)了III-V微型激光器和光頻梳高效運(yùn)行。SiN的χ(2)和χ(3)非線性效應(yīng)也實(shí)現(xiàn)頻率生成。SiN折射率不易受制程變異影響。300mm晶圓級(jí)可以實(shí)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(dǎo)平臺(tái)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(gè)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(jìn)一步降低損耗可能會(huì)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(dǎo)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(duì)比使非線性光學(xué)器件可以實(shí)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(dá)300nm，適合于可見光/紫外應(yīng)用。但是，Ta2O5的光學(xué)損耗遠(yuǎn)高于創(chuàng)記錄的低損耗SiN波導(dǎo)。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(qiáng)大的電光、聲光、非線性效應(yīng)和光彈性效應(yīng)，LiNbO3實(shí)現(xiàn)高性能集成光調(diào)制器和高效波長轉(zhuǎn)換。但是，與標(biāo)準(zhǔn)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(dú)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(tái)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(diǎn)，異質(zhì)集成可以根據(jù)需要，將各種無源波導(dǎo)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(shí)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(bǔ)。

  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(duì)制程公差敏感，可能限制可擴(kuò)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(dǎo)和波長轉(zhuǎn)換是重要組件，但半導(dǎo)體光放大器和激光等有源光電組件對(duì)完整光子系統(tǒng)級(jí)芯片至關(guān)重要。 將這些III-V器件與無源波導(dǎo)集成，可以通過不同技術(shù)實(shí)現(xiàn)，各有利弊。

  混合組裝(Hybrid integration)利用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)組裝將單獨(dú)制造的光子芯片組合在一起進(jìn)行封裝?？梢詫?shí)現(xiàn)高性能，但是因?yàn)槊總€(gè)器件需要手動(dòng)調(diào)整，難以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，限制低成本消費(fèi)類應(yīng)用采用。 由于集成元件的熱膨脹系數(shù)不匹配，也會(huì)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(xué)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(kuò)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(xué)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(xué)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(duì)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(xué)術(shù)界，沒有批量商業(yè)化采用。

  與此形成對(duì)比，異質(zhì)集成已經(jīng)成功地在多個(gè)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(xué)圣巴巴拉分校首創(chuàng)，現(xiàn)在已由英特爾使用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 的晶圓廠基礎(chǔ)設(shè)施擴(kuò)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(dǎo)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(jí)的工藝可以確保耦合的有源和無源組件之間實(shí)現(xiàn)精確對(duì)齊。III-V薄膜的厚度和外延層結(jié)構(gòu)可以根據(jù)目標(biāo)波長和應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。超過10μm的鍵合薄膜可以實(shí)現(xiàn)高光輸出功率，同時(shí)與晶圓級(jí)自動(dòng)化半導(dǎo)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(jí)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(dǎo)上(圖4)，可在可見光和紫外線波長提供光學(xué)增益。與此同時(shí)，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(jìn)行SiN工藝的300mm晶圓廠生態(tài)系統(tǒng)繼續(xù)擴(kuò)大。同樣的規(guī)模經(jīng)濟(jì)也促進(jìn)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(dǎo)等被動(dòng)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(dòng)組件對(duì)齊的有源器件。

粗略的預(yù)鍵合對(duì)齊后，進(jìn)行整個(gè)晶圓上的精細(xì)光刻對(duì)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(jí)上直接在劃片前將光增益組件與下面的無源波導(dǎo)對(duì)齊來形成。這使復(fù)雜光電路實(shí)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(dǎo)組合在一起為系統(tǒng)提供廣泛的靈活性，同時(shí)保持與標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)證和Intel硅基光電子收發(fā)器的高容量制造而得到驗(yàn)證。相比學(xué)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(kuò)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(yàn)證，是推動(dòng)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)、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(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(jí)”垂直目標(biāo)細(xì)分市場段可以極大地激發(fā)進(jìn)一步的研發(fā)與投入。成功的量產(chǎn)案例可以驗(yàn)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)顯示可能實(shí)現(xiàn)數(shù)百萬量產(chǎn)，進(jìn)入消費(fèi)市場。芯片級(jí)激光雷達(dá)也可為自動(dòng)駕駛車輛打開巨大市場。量子加密或隨機(jī)數(shù)生成產(chǎn)品保護(hù)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(biāo)志物。 這些任何一個(gè)領(lǐng)域都蘊(yùn)含10億級(jí)產(chǎn)品的機(jī)會(huì)，足以吸引晶圓廠投入新型集成光子組件和異質(zhì)主動(dòng)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(bǔ)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(shí)現(xiàn)370-1700nm+的電泵浦激光器覆蓋，一旦完全實(shí)現(xiàn)。具有增強(qiáng)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(kuò)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(xué)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(huì)向同封裝的光電芯片演進(jìn)，組合各種晶圓級(jí)集成的功能子系統(tǒng)，作為全面單片集成多個(gè)主動(dòng)材料在共享三層無源波導(dǎo)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(duì)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(gè)異質(zhì)芯片的共封裝，最終實(shí)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(dǎo)實(shí)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(fèi)級(jí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示、生物傳感器、導(dǎo)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(dǎo)體和鈮酸鋰集成在一起，可以實(shí)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(jí)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(yàn)證。將異質(zhì)集成拓展到可見光波段，開創(chuàng)性地實(shí)現(xiàn)新興應(yīng)用的可擴(kuò)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).