把激光集成到芯片上的四種方法

你可以用硅光子學(xué)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(wù)器機(jī)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(dá)，用于發(fā)現(xiàn)大氣中的化學(xué)物質(zhì)的光譜儀，以及許多其他應(yīng)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(jì)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(xué)功能，包括調(diào)制和檢測的基本功能，除了一項(xiàng)：發(fā)光。硅本身不能有效地做到這一點(diǎn)，所以由所謂的III-V材料制成的半導(dǎo)體，以其成分在周期表上的位置命名，通常用于制造單獨(dú)封裝的組件來發(fā)光。

如果你可以在你的設(shè)計(jì)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(xué)集成起來。例如，可能沒有空間放置單獨(dú)的光源。植入體內(nèi)用于監(jiān)測血糖水平的微型設(shè)備可能會面臨這個問題?；蛘邞?yīng)用程序的成本可能需要更緊密的集成:當(dāng)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(dú)芯片更低的成本和更高的可靠性。

有很多方法可以實(shí)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(kuò)展性和成熟度水平以及它們的優(yōu)缺點(diǎn)的指南。

在倒裝芯片鍵合中，激光芯片 [左] 被單獨(dú)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(yīng)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(dāng)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(yán)格。邊緣發(fā)射激光器在晶圓上進(jìn)行全面加工，切割成單獨(dú)的芯片，并由供應(yīng)商進(jìn)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(biāo)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(dǎo)的蝕刻面。

為此，倒裝芯片工藝需要在所有三個維度上都達(dá)到亞微米級的對準(zhǔn)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(xiàng)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(jī)器視覺來保持精確對準(zhǔn)的先進(jìn)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(shè)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(jī)械對準(zhǔn)基座和更精確蝕刻的對接耦合接口添加到硅芯片上，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于幾百納米的垂直對準(zhǔn)。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(shè)備。我們很高興地看到，來自每個設(shè)備的 50 毫瓦激光中有多達(dá) 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(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的耦合效率相媲美，主動對準(zhǔn)是一個更耗時的過程，其中來自激光器本身的光用于引導(dǎo)對準(zhǔn)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?yàn)樗鼈兛梢栽诂F(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(yīng)商提供倒裝芯片組裝服務(wù)。另一方面，該過程的順序性質(zhì)——每個激光芯片都需要單獨(dú)拾取和放置——是一個重大缺陷。從長遠(yuǎn)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(yīng)用（如消費(fèi)產(chǎn)品）以及每個芯片需要多個激光設(shè)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(dǎo)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(dú)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(shè)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(dǎo)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(diǎn)，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(dǎo)之間的光學(xué)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(dǎo)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(zhǔn)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(shè)備。因此，原則上它應(yīng)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(yīng)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品所需的顯示器，但尚未準(zhǔn)備好打印激光或光學(xué)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(dǎo)、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(shè)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(yù)計(jì)該技術(shù)將在幾年內(nèi)準(zhǔn)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(xué)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(dǎo)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(yīng)硅波導(dǎo)的地方構(gòu)建所需的激光設(shè)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?？梢允褂脴?biāo)準(zhǔn)光刻和晶圓級工藝在與底層硅波導(dǎo)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?yàn)樗梢酝瑫r并行處理許多設(shè)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(xué)界面。

III-V 族與硅晶圓鍵合的一個缺點(diǎn)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(fèi)的 III-V 材料的數(shù)量。但要使這種策略切實(shí)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(biāo)進(jìn)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(dǎo)體中原子的晶格間距之間存在相當(dāng)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(yīng)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(yīng)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(yán)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(yuǎn)離設(shè)備的地方。這樣做通常涉及鋪設(shè)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(yīng)變區(qū)域之間形成一個巨大的緩沖區(qū)，激光設(shè)備可以在那里制造。加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校的研究人員報(bào)告了使用這種方法取得的出色進(jìn)展，展示了具有可靠壽命的高效砷化鎵基量子點(diǎn)激光器。

然而，這些實(shí)驗(yàn)只是在小規(guī)模上進(jìn)行的。將該技術(shù)擴(kuò)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(dǎo)致各種機(jī)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(dǎo)。

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(shè)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(yīng)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(yuǎn)。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(shè)備。

大多數(shù)關(guān)于單片集成的研究都是在改進(jìn)單個設(shè)備和確定其故障原因的層面上進(jìn)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(shí)質(zhì)性進(jìn)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(shè)計(jì)的電泵浦激光器的演示。Nanoridge 工程仍在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)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(dǎo)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(jìn)一步進(jìn)展。我們預(yù)計(jì)它們最終將共存以滿足不同的應(yīng)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(zhǔn)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)激光波長或不常見的光子技術(shù)的應(yīng)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(yīng)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(jìn)一步降低成本。因?yàn)檫@里的設(shè)置成本要高得多，所以適合這些技術(shù)的應(yīng)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(jìn)一步進(jìn)展，才能釋放其潛力。

審核編輯 ：李倩