將激光器件與硅集成的方法探討

來源：《半導(dǎo)體芯科技》雜志

比利時根特大學(xué)的兩位教授Roel Baets和Gunther Roelkens，以及imec的兩位科學(xué)家Joris Van Campenhout和Bernardette Kunert，四人共同撰寫的一篇文章“4 Ways to Put Lasers on Silicon”發(fā)表在IEEE Spectrum上。文章介紹了關(guān)于實現(xiàn)激光器與硅緊密集成的四種方法：倒裝芯片集成、微轉(zhuǎn)印、晶圓鍵合和單片集成，就這些方法的工作原理、可擴展性和成熟度級別等方面進行了比較探討。以下是我們根據(jù)該文章編譯整理的部分內(nèi)容，供讀者參考。

引言

光子集成電路（PIC）是在單個芯片上結(jié)合了一系列光電功能。PIC在日常生活中正在成為越來越普遍的一部分。它們用于連接數(shù)據(jù)中心服務(wù)器機架的高速光收發(fā)器，包括用于提供網(wǎng)站的收發(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)都已經(jīng)變得比較便宜，并且在某些情況下，通過使用硅制造技術(shù)制造了大部分IC，在經(jīng)濟上變得可行。

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，但是還不能將光發(fā)射功能集成到硅光子芯片上。因為硅本身并不能有效地做到這一點，因此通常采用由III-V族材料組成的半導(dǎo)體來制造單獨的組件以產(chǎn)生光。

如果您可以在設(shè)計中使用外部激光二極管，那就沒有問題了。但最近有幾個因素促使工程師將激光器與硅光子產(chǎn)品集成在一起。比如，可能沒有空間放置單獨的光源。例如旨在植入體內(nèi)以監(jiān)測血糖水平的微型設(shè)備可能會面臨這個問題。或者，出于對應(yīng)用成本的考慮，可能需要更緊密的集成：當(dāng)您可以在單個硅晶圓上裝進數(shù)百或數(shù)千個激光器時，與需要連接這些單獨的芯片相比，將激光器與硅晶圓集成會使您最終獲得更低的成本和更高的可靠性。有很多方法可以實現(xiàn)激光器與硅的更緊密集成。比利時納米電子研發(fā)中心imec開展了相關(guān)的研究工作，他們目前正在采用四種基本策略：倒裝芯片集成、微轉(zhuǎn)印、晶圓鍵合和單片集成。下面就這些方法的工作原理、它們的可擴展性和成熟度級別，以及它們的優(yōu)缺點等方面進行討論。

倒裝芯片集成

在硅晶圓上直接集成激光器，這種直接方法是一種芯片封裝技術(shù)，被稱為倒裝芯片工藝。

△圖1：在倒裝芯片鍵合中，激光芯片（左）被一個一個地轉(zhuǎn)移并鍵合到硅光子晶圓上。（By Emily Cooper）

△圖2：在微轉(zhuǎn)印印刷中，激光芯片（紅色矩形，左）被很弱地固定在自己的晶圓上。印章（淺灰色）一次拾取多個激光器，然后將它們放置在硅光子晶圓上。（By Emily Cooper）

芯片的電氣連接在頂部，互連的最上層終止在金屬襯墊（焊盤）上。倒裝芯片技術(shù)依靠焊球附著在這些焊盤上。將芯片翻轉(zhuǎn)過來，使焊料與芯片封裝上(或者在我們的情況下在另一個芯片上)的相應(yīng)焊盤對齊。然后將焊料熔化，將芯片鍵合到封裝上。

當(dāng)試圖將激光芯片鍵合到硅光子芯片時，這個概念與倒裝芯片技術(shù)是相似的，但更加嚴(yán)格。邊緣發(fā)射激光器在晶圓上已經(jīng)加工完成，被切割成單獨的芯片，并由供應(yīng)商進行測試。然后，使用高精度的倒裝工藝，將單個激光芯片與目標(biāo)硅光子晶圓鍵合，一次鍵合一個激光芯片。困難的部分是確保從邊緣發(fā)射的激光輸出與硅光子芯片的輸入對齊。我們使用一種稱為對接耦合（butt-coupling）的工藝，將激光芯片放置在硅的凹槽處，以使它橫向靠近硅光子波導(dǎo)的蝕刻面。

為此，倒裝芯片工藝要求在空間三個維度上全部實現(xiàn)亞微米級對準(zhǔn)精度。在過去的幾年里，imec已經(jīng)開發(fā)了專門的倒裝芯片鍵合工具來完成這項工作，他們與合作者，以及開發(fā)合作伙伴已經(jīng)使用它們來優(yōu)化組裝流程。利用先進的拾取和放置工具，使用機器視覺來保持精確對準(zhǔn)，可以在短短幾十秒內(nèi)放置和鍵合激光器，精度優(yōu)于500納米。

2021年，imec還建立了晶圓級硅光子工藝，以改善這一性能。它為硅芯片增加了機械對準(zhǔn)基座和更精確的蝕刻對接耦合接口，以實現(xiàn)優(yōu)于幾百納米的垂直對準(zhǔn)。使用這些技術(shù)，他們在300毫米硅光子晶圓上組裝了一些激光器件。并且很高興地看到，來自每個激光器的50毫瓦激光有多達(dá)80%耦合到它所連接的硅光子芯片中。最壞的情況下整個晶圓的耦合率仍在60%左右。這樣的結(jié)果可以與主動對準(zhǔn)實現(xiàn)的耦合效率相媲美，而主動對準(zhǔn)是一種更耗時的過程，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)勢是配接芯片類型的簡單性和靈活性。因為芯片可以在現(xiàn)有的制造生產(chǎn)線中生產(chǎn)，額外增加的工程有限，所以它們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)商正在提供倒裝芯片組裝服務(wù)。另一方面，這個工藝的順序性（每個激光芯片都需要單獨拾取和放置）是一個明顯的缺點。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。這對于成本敏感型應(yīng)用尤其重要，比如消費類產(chǎn)品，以及

每個芯片需要多個激光裝置的系統(tǒng)。

微轉(zhuǎn)印

微轉(zhuǎn)?。╩icrotransfer printing）消除了對接耦合的一些對準(zhǔn)困難，同時也使組裝過程更快。就像在倒裝芯片集成中一樣，發(fā)光器件先在III-V族半導(dǎo)體襯底上生長。但有一個很大的區(qū)別：III-V族晶圓沒有被切成單獨的芯片。而是將晶圓上的激光器底切，因此它們僅通過很小的束縛弱連接固定在源晶圓上。然后用一種類似墨水印章的工具把這些激光器一起拾取起來，打破它們與源晶圓的小束縛。然后，印章再將這些激光器與硅光子晶圓上的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)，并在那里鍵合它們。

倒裝芯片技術(shù)使用的是金屬焊料凸點，而微轉(zhuǎn)印使用粘合劑，甚至可以僅使用分子鍵合，依靠兩個平面之間的范德華力來將激光器固定。此外，在硅光子芯片中，光源和波導(dǎo)之間的光耦合也是通過不同的過程發(fā)生的。該過程稱為倏逝波耦合，它是將激光器放置在硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的頂部，讓光線“流入”其中。雖然以這種方式傳輸?shù)墓β瘦^少，但與對接耦合相比，倏逝波耦合對于對準(zhǔn)精度的要求較低。

△圖3：在die-to-wafer鍵合中，III-V族半導(dǎo)體(粉紅色)的空白片被粘合到已經(jīng)加工過的硅光子

晶圓上。III-V族材料在硅波導(dǎo)上方被加工成激光器件。然后將多余的III-V族材料蝕刻掉。（By Emily Cooper）

因為允許具有較大的對準(zhǔn)偏差，使該技術(shù)能夠一次轉(zhuǎn)移數(shù)千個組件。因此，原則上，它應(yīng)該允許比倒裝芯片工藝更高的吞吐量，非常適合每單位面積需要集成大量III-V族組件的應(yīng)用。

盡管轉(zhuǎn)移印刷是制造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)品的顯示器制造需要轉(zhuǎn)移印刷工藝，但該工藝尚未準(zhǔn)備好用于打印激光器或光放大器。但imec正在努力實現(xiàn)它。

去年，imec使用轉(zhuǎn)移印刷成功地將這種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。他們還打印了波長可調(diào)超過45nm的紅外激光器和適用于基于芯片的光譜系統(tǒng)的高脈沖能量器件。這些只是為了演示目的而制作，但看不出這種方法不能獲得高產(chǎn)量的好結(jié)果的根本原因。因此，他們預(yù)計這項技術(shù)將在幾年內(nèi)準(zhǔn)備好部署在生產(chǎn)線上。

Die-to-Wafer鍵合

在上面討論的兩種技術(shù)中，將發(fā)光元件與其搭配的硅光子部件精確對準(zhǔn)是關(guān)鍵的一步。但有一種技術(shù)，被稱為III-V-to-silicon-wafer鍵合的形式，找到了解決這個問題的方法。該方案不是將已經(jīng)構(gòu)建的激光器(或其他發(fā)光元件)轉(zhuǎn)移到加工過的硅晶圓上，而是將III-V半導(dǎo)體的空白die(甚至小晶圓)粘合到硅晶圓上。然后在相應(yīng)的硅波導(dǎo)上構(gòu)建所需的激光裝置。

在轉(zhuǎn)移的材料中，我們只對其中稱為外延層的結(jié)晶III-V族材料薄層感興趣。因此，在與硅晶圓結(jié)合后，其余的材料會被去除。然后，在與底層硅波導(dǎo)對準(zhǔn)的外延層中使用標(biāo)準(zhǔn)光刻和晶圓級工藝制造激光二極管。最后將所有不需要的III-V族材料蝕刻掉。

英特爾公司的工程師在過去十年中開發(fā)了這種方法，并于2016年推出了第一批使用該方法構(gòu)建的商業(yè)產(chǎn)品，即光收發(fā)器。該方法允許高吞吐量集成，因為它可以同時并行處理多個組件。與轉(zhuǎn)移印刷一樣，它在III-V族和硅材料之間使用倏逝波耦合，從而可以產(chǎn)生一個高效光接口。

III-V-to-silicon-wafer鍵合有一個缺點：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直徑為200毫米或300毫米的硅晶圓的工具來處理III-V族工藝步驟。這些工具與激光二極管代工廠中使用的工具非常不同，后者典型的晶圓直徑要小得多。

單片集成

結(jié)合這兩種不同材料的理想方法是直接在硅上生長III-V族半導(dǎo)體，這種方法被稱為單片集成。這將消除任何粘合或?qū)?zhǔn)的需要，并將減少III-V族材料的浪費量。但是，要使這種方法切實可行，還需要克服許多技術(shù)障礙。因此，imec和其他機構(gòu)仍然在對這種方法繼續(xù)進行研究。

△圖4：納米脊工程在硅中特殊形狀的溝槽中生長適合激光器件的半導(dǎo)體。溝槽的形狀將缺陷（嵌入）捕獲到遠(yuǎn)低于構(gòu)建激光器件的區(qū)域。（Source：imec）

該研究的主要目的是制造具有低缺陷密度的結(jié)晶III-V族材料。根本問題是，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%。

由于這種晶格不匹配，在硅上生長的每個III-V層都會產(chǎn)生應(yīng)變。在添加幾納米的III-V族薄膜后，晶體中就會出現(xiàn)缺陷，以釋放積聚的應(yīng)變。這些“不匹配”的缺陷沿著穿透整個III-V族層的線條形成。這些缺陷包括開放的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。

為了防止這些缺陷扼殺激光器，必須把缺陷限制在遠(yuǎn)離激光裝置的地方。因此，通常需要鋪設(shè)一層幾微米厚的III-V族材料，在下面的不匹配缺陷和上方的無應(yīng)變區(qū)域之間形成一個巨大的緩沖區(qū)，然后在那里可以制造激光裝置。加州大學(xué)圣巴巴拉分校的研究人員曾報告了使用這種方法取得的出色進展，展示了高效率基于砷化鎵的量子點激光器，具有良好的可靠性壽命。

然而，這些實驗只在小規(guī)模上進行。將該技術(shù)擴展到工業(yè)中使用的200毫米或300毫米晶圓上是困難的。添加厚緩沖層可能會導(dǎo)致各種機械問題，例如III-V族薄膜內(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，因此將光耦合到硅襯底中的底層波導(dǎo)具有挑戰(zhàn)性。

為了規(guī)避這些挑戰(zhàn)，imec引入了一種新的單片集成方法，稱為納米脊工程（nanoridge engineering, NRE）。該技術(shù)旨在迫使缺陷形成在非常狹窄的空間內(nèi)，從而可以在與底層硅的界面上方略高于100納米的位置構(gòu)建發(fā)光器件。NRE使用一種稱為縱橫比捕獲的現(xiàn)象將缺陷限制在小區(qū)域。它首先在一層二氧化硅絕緣體內(nèi)創(chuàng)建窄而深的溝槽。在溝槽的底部，絕緣體與硅相接觸的地方，會有一個凹槽切入硅中，使空隙具有箭頭形的橫截面。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)壁上，防止這些缺陷線進一步滲透。溝槽被填滿后，生長物繼續(xù)在溝槽上方形成更大的III-V族材料納米脊。納米級脊中的材料足夠好，沒有缺陷，因此可用于制作激光器件。

大多數(shù)關(guān)于單片集成的研究都是在改進單個器件并確定其失敗原因的層面上進行的。但imec在采用該技術(shù)的晶圓級集成方面已經(jīng)取得了實質(zhì)性進展，在300毫米硅試驗生產(chǎn)線中生產(chǎn)了高質(zhì)量的基于GaAs的光電二極管。下一個里程碑將是演示基于與光電二極管類似設(shè)計的電泵浦激光器。納米脊工程仍在實驗室開發(fā)中，但如果它有效，無疑將對這個行業(yè)產(chǎn)生重大影響。

硅上激光器的前景

未來幾年，這里討論的每種方法肯定會進一步發(fā)展，預(yù)計它們最終將共存以滿足不同的應(yīng)用需求和用例。

倒裝芯片激光器組裝，因為相對適中的生產(chǎn)成本和成熟性，將使其近期產(chǎn)品化成為可能，對于每個PIC只需要一個或兩三個激光器的應(yīng)用（例如數(shù)據(jù)中心中使用的光收發(fā)器）特別有吸引力。此外，這種方法固有的靈活性使其對需要非標(biāo)準(zhǔn)激光波長或不常見光子技術(shù)的應(yīng)用具有吸引力。

對于每個PIC需要多個激光器或放大器的大批量應(yīng)用，轉(zhuǎn)移印刷和die-to-wafer鍵合可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。由于生產(chǎn)投入成本很高，因此這些技術(shù)適合的應(yīng)用必須具有很大的市場。

最后，在硅上直接進行III-V外延，如NRE納米脊技術(shù)，代表了激光器件集成的最終水平，但還需要在材料質(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 黃宇