把激光集成到芯片上的四種方法

你可以用硅光子學制造很多東西，但激光不是其中之一。

光子集成電路，將一系列光電功能組合在一塊芯片上，在日常生活中越來越常見。它們被用于連接數(shù)據(jù)中心服務器機架的高速光收發(fā)器，包括用于傳輸IEEE Spectrum網(wǎng)站的高速光收發(fā)器，用于保持自動駕駛汽車在軌道上的激光雷達，用于發(fā)現(xiàn)大氣中的化學物質(zhì)的光譜儀，以及許多其他應用。所有這些系統(tǒng)都變得越來越便宜，在某些情況下，通過使用硅制造技術(shù)制造大部分集成電路，在經(jīng)濟上已經(jīng)變得可行。

工程師們已經(jīng)能夠在硅光子芯片上集成幾乎所有重要的光學功能，包括調(diào)制和檢測的基本功能，除了一項：發(fā)光。硅本身不能有效地做到這一點，所以由所謂的III-V材料制成的半導體，以其成分在周期表上的位置命名，通常用于制造單獨封裝的組件來發(fā)光。

如果你可以在你的設計中使用外部激光二極管，那就沒有問題。但最近有幾個因素促使工程師們將激光與硅光子學集成起來。例如，可能沒有空間放置單獨的光源。植入體內(nèi)用于監(jiān)測血糖水平的微型設備可能會面臨這個問題?；蛘邞贸绦虻某杀究赡苄枰o密的集成:當你可以在一塊硅片上安裝數(shù)百或數(shù)千個激光器時，你最終將獲得比需要連接單獨芯片更低的成本和更高的可靠性。

有很多方法可以實現(xiàn)激光和硅的這種更緊密的集成。在位于比利時的納米電子研發(fā)中心 Imec 工作，我們目前正在推行四種基本策略：倒裝芯片加工、微轉(zhuǎn)移印刷、晶圓鍵合和單片集成。以下是關(guān)于這些方法如何工作、它們的可擴展性和成熟度水平以及它們的優(yōu)缺點的指南。

在倒裝芯片鍵合中，激光芯片 [左] 被單獨轉(zhuǎn)移并鍵合到硅光子晶圓上。

倒裝芯片集成

將激光器直接集成到硅晶圓上的一種直接方法是芯片封裝技術(shù)，稱為倒裝芯片工藝，顧名思義。

芯片的電氣連接在頂部，最上層的互連終止于金屬焊盤。倒裝芯片技術(shù)依賴于連接到這些焊盤上的焊球。然后將芯片翻轉(zhuǎn)過來，使焊料與芯片封裝上的相應焊盤對齊（或者在我們的例子中是另一個芯片上）。然后焊料熔化，將芯片粘合到封裝上。

當試圖將激光芯片鍵合到硅光子芯片時，這個概念是相似的，但更為嚴格。邊緣發(fā)射激光器在晶圓上進行全面加工，切割成單獨的芯片，并由供應商進行測試。然后使用高精度版本的倒裝芯片工藝將單個激光芯片鍵合到目標硅光子晶圓上，一次一個激光芯片。困難的部分是確保邊緣發(fā)射的激光輸出與硅光子芯片的輸入對齊。我們使用稱為對接耦合的工藝，其中激光器放置在硅的凹陷部分，因此它橫向鄰接硅光子波導的蝕刻面。

為此，倒裝芯片工藝需要在所有三個維度上都達到亞微米級的對準精度。在過去的幾年里，已經(jīng)開發(fā)出專門的倒裝芯片焊接工具來完成這項工作，我們和我們的合作者和開發(fā)伙伴已經(jīng)使用它們來優(yōu)化組裝過程。利用使用機器視覺來保持精確對準的先進拾取和放置工具，我們可以在短短幾十秒內(nèi)放置和鍵合精度優(yōu)于 500 納米的激光設備。

2021 年，我們還建立了晶圓級硅光子工藝，以提高這一性能。它將機械對準基座和更精確蝕刻的對接耦合接口添加到硅芯片上，以實現(xiàn)優(yōu)于幾百納米的垂直對準。使用這些技術(shù)，我們在 300 毫米硅光子晶圓上組裝了某些激光設備。我們很高興地看到，來自每個設備的 50 毫瓦激光中有多達 80% 被耦合到與其相連的硅光子芯片中。在最壞的情況下，整個晶圓上的耦合度仍然在 60% 左右。這些結(jié)果可與主動對準實現(xiàn)的耦合效率相媲美，主動對準是一個更耗時的過程，其中來自激光器本身的光用于引導對準過程。

倒裝芯片方法的一個顯著優(yōu)勢是配對芯片類型的簡單性和靈活性。因為它們可以在現(xiàn)有的生產(chǎn)線上生產(chǎn)，附加工程有限，所以它們每個都可以從多個制造商處采購。而且，隨著市場需求的增加，越來越多的供應商提供倒裝芯片組裝服務。另一方面，該過程的順序性質(zhì)——每個激光芯片都需要單獨拾取和放置——是一個重大缺陷。從長遠來看，它限制了制造吞吐量和大幅降低成本的潛力。這對于成本敏感的應用（如消費產(chǎn)品）以及每個芯片需要多個激光設備的系統(tǒng)尤為重要。

使用倒裝芯片方法的高精度版本將激光芯片連接到硅光子芯片上。

微轉(zhuǎn)印

微轉(zhuǎn)移印刷消除了對接耦合的一些對齊困難，同時還加快了組裝過程。與倒裝芯片工藝一樣，發(fā)光器件生長在 III-V 族半導體基板上。但有一個很大的不同：III-V 晶圓沒有被切割成單獨的芯片。相反，晶圓上的激光器被底切，因此它們僅通過小系繩連接到源晶圓。然后用類似墨水印章的工具將這些設備一起撿起來，打破系繩。然后，印模將激光器與硅光子晶圓上的波導結(jié)構(gòu)對齊，并將它們粘合在那里。

倒裝芯片技術(shù)使用金屬焊料凸點，而微轉(zhuǎn)移印刷使用粘合劑，甚至可以僅靠分子鍵合，這依賴于兩個平面之間的范德華力，將激光固定到位。此外，硅光子芯片中光源和波導之間的光學耦合通過不同的過程發(fā)生。該過程稱為漸逝耦合，將激光器放置在硅波導結(jié)構(gòu)的頂部，然后光“滲入”其中。雖然以這種方式傳輸?shù)墓β瘦^少，但漸逝耦合比對接耦合要求的對準精度低。

具有更大的對齊容差使該技術(shù)能夠一次傳輸數(shù)千個設備。因此，原則上它應該允許比倒裝芯片處理更高的吞吐量，并且是要求在每單位面積上集成大量 III-V 族組件的應用的理想選擇。

盡管轉(zhuǎn)印是制造 microLED 顯示器的既定工藝，例如許多增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品所需的顯示器，但尚未準備好打印激光或光學放大器。但我們到了那里。

去年，Imec 成功地使用轉(zhuǎn)移印刷將此類光源連接到包含硅光子波導、高速光調(diào)制器和光電探測器的晶圓上。我們還印刷了可調(diào)諧超過 45 nm 波長的紅外激光器和適用于基于芯片的光譜系統(tǒng)的高脈沖能量設備。這些只是為了演示目的而制作的，但我們沒有看到這種方法無法以高產(chǎn)量取得良好結(jié)果的根本原因。因此，我們預計該技術(shù)將在幾年內(nèi)準備好部署到生產(chǎn)線上。

在微轉(zhuǎn)移印刷中，激光芯片 [紅色矩形，左] 在其自己的晶圓上固定到位。郵票 [淺灰色] 一次拾取多個激光器并將它們放置在硅光子晶圓上。

晶圓鍵合

將發(fā)光元件與其硅光子學伙伴精確對齊是我們討論的兩種技術(shù)的關(guān)鍵步驟。但是有一種技術(shù)，一種稱為 III-V 族硅晶圓鍵合的技術(shù)，找到了解決方法。該方案不是將已構(gòu)建的激光器（或其他發(fā)光組件）轉(zhuǎn)移到經(jīng)過處理的硅晶片，而是將 III-V 族半導體的空白芯片（甚至小晶片）粘合到該硅晶片。然后，您可以在已有相應硅波導的地方構(gòu)建所需的激光設備。

在轉(zhuǎn)移的材料中，我們只對結(jié)晶 III-V 材料的薄層感興趣，稱為外延層。因此，在與硅晶圓鍵合后，其余材料將被去除。可以使用標準光刻和晶圓級工藝在與底層硅波導對齊的外延層中制造激光二極管。然后蝕刻掉任何不需要的 III-V 材料。

英特爾的工程師在過去十年中開發(fā)了這種方法，并于 2016 年推出了第一個用它構(gòu)建的商業(yè)產(chǎn)品——光收發(fā)器。這種方法允許高吞吐量集成，因為它可以同時并行處理許多設備。與轉(zhuǎn)印一樣，它在 III-V 族和硅材料之間使用漸逝耦合，從而產(chǎn)生高效的光學界面。

III-V 族與硅晶圓鍵合的一個缺點是您需要大量投資來建立一條生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線可以使用用于制造 200 毫米或 300 毫米的硅晶圓的工具來處理 III-V 族工藝步驟毫米直徑。這種工具與激光二極管鑄造廠中使用的工具非常不同，后者的典型晶圓直徑要小得多。

在芯片到晶圓鍵合中，III-V 族半導體 [粉紅色] 的空白片被鍵合到已經(jīng)處理過的硅光子晶圓上。III-V 族材料在硅波導上方加工成激光器。然后蝕刻掉其余的 III-V 材料。

單片集成

將所涉及的兩種不同材料結(jié)合起來的理想方法是直接在硅上生長 III-V 族半導體，這種方法稱為單片集成。這將消除任何粘合或?qū)R的需要，并且將減少浪費的 III-V 材料的數(shù)量。但要使這種策略切實可行，必須克服許多技術(shù)障礙。因此，Imec 和其他地方繼續(xù)朝著這個目標進行研究。

該研究的主要目的是創(chuàng)造具有低缺陷密度的結(jié)晶 III-V 材料。根本問題在于，硅中原子的晶格間距與感興趣的 III-V 族半導體中原子的晶格間距之間存在相當大的不匹配——超過 4%。

由于這種晶格失配，在硅上生長的每個 III-V 層都會產(chǎn)生應變。僅添加幾納米的 III-V 薄膜后，晶體中就會出現(xiàn)缺陷，從而釋放累積的應變。這些“失配”缺陷沿著穿透整個 III-V 層的線形成。這些缺陷包括開路晶體鍵線和局部晶體畸變，這兩者都會嚴重降低光電器件的性能。

為防止這些缺陷破壞激光器，必須將它們限制在遠離設備的地方。這樣做通常涉及鋪設一層幾微米厚的 III-V 材料，在下面的失配缺陷和上面的無應變區(qū)域之間形成一個巨大的緩沖區(qū)，激光設備可以在那里制造。加利福尼亞大學圣塔芭芭拉分校的研究人員報告了使用這種方法取得的出色進展，展示了具有可靠壽命的高效砷化鎵基量子點激光器。

然而，這些實驗只是在小規(guī)模上進行的。將該技術(shù)擴展到工業(yè)中使用的 200 或 300 毫米晶圓將很困難。添加厚緩沖層可能會導致各種機械問題，例如 III-V 薄膜內(nèi)部出現(xiàn)裂紋或晶圓彎曲。此外，由于有源器件位于如此厚的緩沖層之上，因此很難將光耦合到硅基板中的下方波導。

為了規(guī)避這些挑戰(zhàn)，Imec 引入了一種稱為納米脊工程或 NRE 的單片集成新方法。該技術(shù)旨在迫使缺陷在如此有限的空間中形成，以便可以在與底層硅的界面上方略高于 100 nm 處構(gòu)建工作設備。

NRE 使用一種稱為縱橫比陷印的現(xiàn)象將缺陷限制在小區(qū)域。它首先在二氧化硅絕緣體層內(nèi)形成又窄又深的溝槽。在溝槽底部，也就是絕緣體與硅接觸的地方，一條凹槽切入硅中，使空隙的橫截面呈箭頭形。然后在溝槽內(nèi)生長一層薄薄的 III-V 族晶體，應變引起的失配缺陷被有效地捕獲在溝槽側(cè)壁，防止這些缺陷線穿透得更遠。填充溝槽后，繼續(xù)生長以在溝槽上方形成更大的 III-V 族材料納米脊。該納米級脊中的材料完全沒有缺陷，因此可用于激光設備。

大多數(shù)關(guān)于單片集成的研究都是在改進單個設備和確定其故障原因的層面上進行的。但 Imec 已經(jīng)在展示與該技術(shù)的完整晶圓級集成方面取得了實質(zhì)性進展，在 300 毫米硅試產(chǎn)線上生產(chǎn)了高質(zhì)量的基于 GaAs 的光電二極管。下一個里程碑將是基于與光電二極管類似設計的電泵浦激光器的演示。Nanoridge 工程仍在實驗室中進行開發(fā)，但如果成功，無疑將對這個行業(yè)產(chǎn)生巨大影響。

Nanoridge engineering 在硅中特殊形狀的溝槽中生長適用于激光的半導體。溝槽的形狀將缺陷 [插圖] 置于激光器構(gòu)造區(qū)域的下方。

硅激光器的前景

在接下來的幾年里，這里討論的每一種方法都肯定會取得進一步進展。我們預計它們最終將共存以滿足不同的應用程序需求和用例。

相對適中的安裝成本和倒裝芯片激光器組件的準備就緒將使近期產(chǎn)品成為可能，并且對于每個光子 IC 只需要一個或幾個激光器的應用特別有吸引力，例如數(shù)據(jù)中心使用的光收發(fā)器。此外，這種方法固有的靈活性使其對需要非標準激光波長或不常見的光子技術(shù)的應用具有吸引力。

對于每個光子 IC 需要多個激光器或放大器的大批量應用，轉(zhuǎn)移印刷和芯片到晶圓鍵合提供更高的制造吞吐量、更小的耦合損耗，并有可能進一步降低成本。因為這里的設置成本要高得多，所以適合這些技術(shù)的應用程序必須有很大的市場。

最后，硅上的直接 III-V 族外延，例如 NRE 技術(shù)，代表了激光集成的最高水平。但我們和其他研究人員必須在材料質(zhì)量和晶圓級集成方面取得進一步進展，才能釋放其潛力。

審核編輯 ：李倩