硅基異質(zhì)集成工藝的簡介

文章來源：先進(jìn)制造

原文作者：LAM

本文介紹了光電集成芯片的最新研究突破，解讀了工業(yè)界該領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，包括數(shù)據(jù)中心互連的硅基光收發(fā)器的大規(guī)模商用成功，和材料、器件設(shè)計(jì)、異質(zhì)集成平臺(tái)方面的代表性創(chuàng)新。

從1860年代麥克斯韋提出光的電磁波理論，到1905年愛因斯坦解釋了光電效應(yīng)，再到1960年激光的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用，光子學(xué)與電子學(xué)不斷的相互融合、互相推動(dòng)。電子學(xué)擴(kuò)大了光子學(xué)應(yīng)用的范圍，光子學(xué)也彌補(bǔ)了電子學(xué)中不可回避的短板。

1990年，萬維網(wǎng)的出現(xiàn)，光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)將世界帶入信息網(wǎng)絡(luò)1.0時(shí)代，信息在網(wǎng)站上單方面輸出（Read-only web）。隨后，世界又經(jīng)歷了2.0時(shí)代（read-write web）和3.0時(shí)代（read-write-execute web）。大數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、傳輸和萬物互聯(lián)的出現(xiàn)，離不開量摩爾定律指引下的集成電路的發(fā)展和光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)信道容量的不斷突破。

圖源：Medium

20世紀(jì)電子學(xué)對(duì)信息領(lǐng)域做出了巨大貢獻(xiàn)，但是隨著全球?qū)π畔⒏咚俟返男枨箫w速增加，能源成本的不斷增加，自然資源短缺問題日漸突出。電子學(xué)固有的在速度、容量上的局限性已經(jīng)不能滿足21世紀(jì)我們對(duì)通信速度、能量效率和使用成本的要求。而光子器件的響應(yīng)速度比電子提高3-4個(gè)數(shù)量級(jí)，光子的互不干涉使其具有并行處理信息的能力，在傳播速度、存儲(chǔ)能力、抗干擾能力等方面，光子學(xué)為信息科技的發(fā)展提供了新的可能性。因此，在21世紀(jì)，電子學(xué)和光子學(xué)會(huì)有更緊密的聯(lián)系。微電子和光子學(xué)的深度融合，為我們進(jìn)入信息網(wǎng)絡(luò)x.0時(shí)代提供了不可或缺的保障。

由于巨大的需求驅(qū)動(dòng)，這兩個(gè)關(guān)鍵半導(dǎo)體市場(chǎng)的核心技術(shù)在學(xué)術(shù)和商業(yè)領(lǐng)域近年來都發(fā)展迅速。

下面讓我們用歷史和發(fā)展的眼光回顧這項(xiàng)激動(dòng)人心的技術(shù)，欣賞這一光子學(xué)領(lǐng)域巨大革新的本質(zhì)。

單晶硅憑借其大光學(xué)帶寬、強(qiáng)可擴(kuò)展性、低廉的成本和造價(jià)、高效的片上路由和高折射率（相比于其自然氧化物），成為光子器件最成熟、廣泛的平臺(tái)。但是，硅屬于間接帶隙半導(dǎo)體，不能作為有效的光源，這嚴(yán)重阻礙了硅基集成光子學(xué)平臺(tái)的商業(yè)化發(fā)展。

那么，如何讓性能優(yōu)異的硅光子學(xué)平臺(tái)兼具低功耗、長壽命、大功率的光源呢？

III-V族半導(dǎo)體是具有直接帶隙和優(yōu)秀光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)的材料，砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）量子阱和量子點(diǎn)激光器已經(jīng)商用。把III-V族半導(dǎo)體激光器與硅平臺(tái)集成在一個(gè)硅晶圓上的思路自然而生，學(xué)者們將其稱為“異質(zhì)集成”。但實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的工藝壁壘和設(shè)計(jì)難題還有很多。

硅基異質(zhì)集成工藝的簡介

借力于微電子、MEMS（微機(jī)械系統(tǒng)）的發(fā)展，晶圓鍵合成為硅基異質(zhì)集成最有效的手段。它允許晶圓級(jí)別的操作，因此效率最高、成本最低。

硅基異質(zhì)集成的晶圓鍵合技術(shù)將功能性的非硅薄膜材料轉(zhuǎn)移到硅晶圓上，以彌補(bǔ)硅材料本身缺少或較弱的光電性能。如圖1所示，在過去的15年中，它已經(jīng)發(fā)展成為具有許多技術(shù)分支的一個(gè)新技術(shù)領(lǐng)域，其中硅基三五族復(fù)合半導(dǎo)體的異質(zhì)集成是最成熟的一種。

圖1. 硅基異質(zhì)集成光子學(xué)及其發(fā)展分支

第一代異質(zhì)光子學(xué)集成的商業(yè)成果

2016年，由于學(xué)術(shù)和商業(yè)界的緊密合作，Intel公布了第一個(gè)商業(yè)化硅基異質(zhì)集成產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了InP激光器與Si高速M(fèi)ach-Zehnder干涉儀的單片集成，歸屬于100 Gb/s收發(fā)器產(chǎn)品系列。到2018年時(shí)，Intel在硅光領(lǐng)域的市場(chǎng)占有率已經(jīng)超過了50%。Intel的成果和其垂直整合的商業(yè)模式已證明硅基異質(zhì)集成的技術(shù)可行性，應(yīng)用的多功能性以及可觀的投資回報(bào)。隨著市場(chǎng)需求的增長、更大的工業(yè)和政府投入以及供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)供應(yīng)商的加入，一個(gè)更具包容性的橫向整合生態(tài)系統(tǒng)正在建立。

圖2. Intel CWDM4 收發(fā)器解決方案示意圖

材料與器件的加速創(chuàng)新

與第一代異質(zhì)光子集成的商業(yè)產(chǎn)品同時(shí)期發(fā)展的還有各種新型的材料與器件。例如，用于數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算的基于InP-on-Si平臺(tái)的可插拔收發(fā)器；具有極低損耗、大透光窗口、優(yōu)秀的非線性效應(yīng)的SiN-on-Si平臺(tái)，彌補(bǔ)了Si在低于1100nm波長時(shí)透光窗口截止的缺陷，在AR/VR、度量、生物醫(yī)藥、傳感等領(lǐng)域具有新的應(yīng)用；以及基于InGaAs的855 nm波長的垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）等等。

三個(gè)領(lǐng)域的近期進(jìn)展：

通過選擇Si上不同的受激輻射材料和低損耗波導(dǎo)材料，實(shí)現(xiàn)了波長從850 nm到大于4 μm的異質(zhì)激光器的研發(fā)；

多種性能創(chuàng)紀(jì)錄的器件，包括最小線寬達(dá)到140 Hz的窄線寬外腔激光器、梳齒寬度為12 nm的量子點(diǎn)激光梳、最小泵浦功率為36 μW的AlGaAs薄膜高Q諧振腔產(chǎn)生光頻梳等，異質(zhì)集成放大了各個(gè)材料的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)；

在硅基異質(zhì)集成平臺(tái)的電學(xué)特性方面，提到了異質(zhì)MOS電容器，它具有極低能量的相位調(diào)節(jié)和較之于Si MOS的固有的高速動(dòng)態(tài)性能，使得該異質(zhì)MOS電容器在激光、調(diào)制器、開關(guān)、濾波器中可作為強(qiáng)大的補(bǔ)充。

異質(zhì)平臺(tái)的創(chuàng)新和發(fā)展

兩個(gè)有代表性的平臺(tái)級(jí)的創(chuàng)新：

第一個(gè)是是“背接式”異質(zhì)平臺(tái)，與III-V直接在Si側(cè)鍵合不同，這一平臺(tái)可耐受所有高溫過程，可實(shí)現(xiàn)Si及其附件材料的所有功能，將具備某一功能的器件層轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)SiO2/Si的載片上，得到背面光滑的結(jié)構(gòu)，有利于III-V材料的薄膜轉(zhuǎn)移。

第二個(gè)是通過高質(zhì)量的III-V材料外延生長層，與Si基襯底鍵合，將異質(zhì)和單片集成結(jié)合起來，特殊的橫向p-i-n 隱埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了非常好的激光器性能。

圖3. “背接式”SOI結(jié)構(gòu)異質(zhì)集成DFB激光器的工藝流程

15年前，將晶體III-V族化合物附著到Si上，讓Si這一性能優(yōu)異的半導(dǎo)體再煥光芒的想法激發(fā)了許多科研工作者的思維碰撞。這不僅僅只是一個(gè)停留在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域的課題，它更將成為迎接數(shù)據(jù)通信浪潮，改變集成光子學(xué)格局的大勢(shì)所趨。

在一些應(yīng)用領(lǐng)域，如航天、國防、量測(cè)等，只要不同材料的異質(zhì)集成能達(dá)到預(yù)期目的，成本不是考慮的主要問題；而在另外一些更大體量的應(yīng)用領(lǐng)域，如數(shù)據(jù)中心的收發(fā)器、5G網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)駕駛汽車中的激光雷達(dá)等，期望規(guī)?；瘧?yīng)用帶來的低成本。總之，工業(yè)界需要在多功能/集成密度和工藝兼容性/復(fù)雜度/體積二者之間進(jìn)行權(quán)衡，以在每個(gè)應(yīng)用中獲取利益最大化。

審核編輯：湯梓紅