氮化硅提供從研發(fā)進(jìn)展到量產(chǎn)的靈活性

來源：《半導(dǎo)體芯科技》雜志 12/1月刊

現(xiàn)今，氮化硅（SiN）為光子集成提供了更多的途徑，包括新的200mm、高產(chǎn)量、汽車級(jí)CMOS生產(chǎn)線。在過去的幾年里，SiN緊隨確立已久的硅光子學(xué)之后，該材料平臺(tái)已經(jīng)成熟，并在光子集成電路（PIC）市場(chǎng)上，為那些需要非常低傳播損耗、可見波長(zhǎng)或高激光功率的應(yīng)用提供了新的機(jī)會(huì)。

光子集成電路（PIC）即將重演電子集成電路（IC）的成功故事。PIC的運(yùn)行使用的是光，而不是電子。在未來的通信、傳感和交通運(yùn)輸領(lǐng)域的基礎(chǔ)設(shè)施中，PIC將發(fā)揮重要作用。雖然硅光子學(xué)已經(jīng)存在了20多年，但是在過去的10年里引入了新的材料平臺(tái)，這些材料平臺(tái)可以提供額外的好處。

使用氮化硅（SiN）波導(dǎo)的動(dòng)機(jī)是多方面的。首先，氮化硅是一種眾所周知的可以兼容CMOS的材料，而且已經(jīng)在半導(dǎo)體行業(yè)廣泛使用。這使得能夠利用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝來開發(fā)制備方法和工藝設(shè)計(jì)套件（PDK）。當(dāng)后來根據(jù)批量生產(chǎn)要求對(duì)工藝流程進(jìn)行調(diào)整時(shí)，或者更重要的是，當(dāng)使用已有的基礎(chǔ)設(shè)施來運(yùn)行工藝流程時(shí)，這是主要的要求之一。其次，作為一種材料，氮化硅為PIC市場(chǎng)提供了新的可能性。例如，如果我們將應(yīng)用波長(zhǎng)視作一個(gè)主要參數(shù)，可以看到，在經(jīng)典的硅光子學(xué)中（光波在硅材料中被引導(dǎo)），透明度開始于一微米以上。這一點(diǎn)非常適合許多光纖應(yīng)用，特別是通信。

然而，還有更多需要在較低波長(zhǎng)下進(jìn)行光傳播的應(yīng)用，這是硅光子學(xué)不能滿足的。氮化硅具有從可見光到中紅外的透明度窗口（transparency window），這為實(shí)現(xiàn)新的應(yīng)用開辟了道路。除此之外，與硅或磷化銦相比，氮化硅的傳播損耗極低。最后（但并非最不重要的）一點(diǎn)是，由于氮化硅具有大帶隙，因此幾瓦特CW激光功率的高功率傳播是可能的。這就是氮化硅能夠提供出色性能以控制芯片電路中的光，同時(shí)具備前所未有的低傳播損耗和高功率處理能力的原因所在。

現(xiàn)有的應(yīng)用

電信和數(shù)據(jù)通信行業(yè)是目前最大的PIC消費(fèi)用戶群之一。降低光學(xué)損耗在這些領(lǐng)域變得越來越重要，因?yàn)楣鈱W(xué)損耗不僅影響能耗，還會(huì)影響器件的性能。用于波分（比如MUX和DEMUX）的陣列波導(dǎo)光柵（AWG）的串?dāng)_性能與光傳播損耗成正比。具有高傳播損耗的AWG在其臂中逐步累積相位誤差，因而導(dǎo)致通道之間的串?dāng)_增加。另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是使AWG具有低溫度依賴性，以盡量減少力的原因所在。熱效應(yīng)對(duì)器件性能的影響。

氮化硅的溫度依賴性比硅低10倍。此外，還需要一種優(yōu)良的過程控制，以確保正確的波段選擇。統(tǒng)計(jì)過程控制利用LIGENTEC公司的制備平臺(tái)保證了這一點(diǎn)。特別是對(duì)于AWG，LIGENTEC的專有技術(shù)提供了競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)椴粌H波導(dǎo)的損耗非常低，而且由于該平臺(tái)常見的小彎曲半徑，所以陣列波導(dǎo)光柵的面積尺寸很小。波導(dǎo)中的光學(xué)模式的高約束使之成為可能。LIGENTEC平臺(tái)提供了非常低的相位誤差以及小的占位面積。

新的應(yīng)用

上述優(yōu)點(diǎn)對(duì)于其他新的應(yīng)用也是具有極為重要意義的。例如，為了實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)駕駛，預(yù)計(jì)用于長(zhǎng)距離傳感的下一代LiDAR傳感器將基于相干檢測(cè)。這里，反射的光束與一個(gè)局部振蕩器混合，濾除所有并非從物體反射回來的光。這些相干檢測(cè)方案相當(dāng)復(fù)雜，并且顯著得益于光子集成。

此類調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)（FMCW LiDAR）的關(guān)鍵要求是：能夠傳輸高的光學(xué)功率；具有低傳播損耗和低相位誤差；最后（但同樣重要的）一點(diǎn)是發(fā)送和接收通道之間的串?dāng)_應(yīng)很低。這里的一個(gè)關(guān)鍵構(gòu)建塊是用于控制激光信號(hào)調(diào)制的延遲線干涉儀。延遲線的長(zhǎng)度是一個(gè)至關(guān)重要的性能參數(shù)，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到距離測(cè)量的精度。由于傳播損耗低，彎曲半徑短，因此芯片上的延遲線長(zhǎng)度可以達(dá)到1m。這與低相位噪聲相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高分辨率的FMCW LiDAR解決方案。

要使量子計(jì)算機(jī)成為現(xiàn)實(shí)，最有希望的途徑之一是運(yùn)用光子。實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展光子量子計(jì)算機(jī)的唯一方法是借助光子集成，這里，量子態(tài)是以光學(xué)方式生成和處理的。各個(gè)組件之間的高相位穩(wěn)定性是保持量子態(tài)的一項(xiàng)絕對(duì)要求。芯片技術(shù)提供的相位穩(wěn)定性是分立光學(xué)組件無法實(shí)現(xiàn)的。此外，量子計(jì)算機(jī)需要數(shù)百個(gè)節(jié)點(diǎn)才能與經(jīng)典計(jì)算機(jī)競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)，用于每個(gè)節(jié)點(diǎn)的組件必需很小，并有可擴(kuò)展性?；谏鲜鏊性?，光子集成是實(shí)現(xiàn)光子量子計(jì)算機(jī)的唯一途徑。在量子光子學(xué)中，每個(gè)光子都很重要，面臨的最大挑戰(zhàn)是需將光子損失保持在最低限度。因此，低損耗的PIC平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)成功光子集成的一個(gè)關(guān)鍵要求。

最近，領(lǐng)先的量子計(jì)算公司Xanadu首次演示了在室溫下使用LIGENTEC氮化硅芯片技術(shù)的云量子計(jì)算。

為了應(yīng)對(duì)現(xiàn)有應(yīng)用和新的應(yīng)用，LIGENTEC開發(fā)了一款可以與廣泛的工藝設(shè)計(jì)套件（PDK）配合使用的工藝制備產(chǎn)品。波導(dǎo)寬度是一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，有10多個(gè)工藝模塊可用于創(chuàng)建多種有用的功能，例如：脊型波導(dǎo)、雙層波導(dǎo)、熱調(diào)諧元件以及用于傳感應(yīng)用或與其他材料的異質(zhì)集成的局部包層開口。

另外，PDK庫(kù)還包括一大批具有已知性能和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的組件和構(gòu)建塊，供設(shè)計(jì)人員作為構(gòu)件用于構(gòu)建電路。這些構(gòu)建塊從各種波導(dǎo)到分路器、交叉點(diǎn)、延遲線到濾波器、偏振旋轉(zhuǎn)器和偏振濾光器等均在其列。其他構(gòu)建塊包括反射鏡，以及用于光纖輸入和輸出耦合的組件等等。這得到了具有商用軟件的設(shè)計(jì)流程和擁有平臺(tái)專業(yè)知識(shí)的設(shè)計(jì)公司的支持。

由于氮化硅是一種固有的無源材料，因此LIGENTEC開發(fā)了特殊的制備模塊以集成活性材料。通過異質(zhì)集成，可以將選擇的材料置于SiN波導(dǎo)的頂部。例如，考慮一個(gè)基于Mach-Zehnder干涉儀的調(diào)制器，其中光相位在一個(gè)臂上改變，組合產(chǎn)生的輸出被調(diào)制，以實(shí)現(xiàn)調(diào)制速度達(dá)到幾十GHz的快速開關(guān)或調(diào)制器。通過將一塊鈮酸鋰直接放在SiN波導(dǎo)的頂部，部分光線將在上部材料中傳播，這樣就可以對(duì)其進(jìn)行操縱了。

相同的原理可以應(yīng)用于黏合III-V族化合物半導(dǎo)體材料組件，如激光器或檢測(cè)器。

2021年9月，LIGENTEC宣布在X-FAB代工廠生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)實(shí)施其專有的低損耗氮化硅工藝技術(shù)。憑借這一合作關(guān)系，PIC生態(tài)系統(tǒng)所有的基本元件現(xiàn)在都可以在歐洲達(dá)到批量上市的水平，對(duì)于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛汽車、量子計(jì)算機(jī)、生物傳感器和其他應(yīng)用所需的大量傳感器的安全、獨(dú)立供應(yīng)來說，這是一個(gè)關(guān)鍵的條件。由于和X-FAB的這種戰(zhàn)略合作關(guān)系，LIGENTEC現(xiàn)在可以接受基于200mm晶圓的低損耗SiN PIC的批量生產(chǎn)要求。通過這種方式，LIGENTEC期待著為其現(xiàn)有的客戶群和新客戶擴(kuò)大其快速周轉(zhuǎn)、高質(zhì)量、低損耗PIC產(chǎn)品供應(yīng)。

審核編輯黃宇