硅基異質(zhì)集成工藝的簡介

文章來源：先進制造

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、器件設計、異質(zhì)集成平臺方面的代表性創(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，再到1960年激光的發(fā)現(xiàn)與應用，光子學與電子學不斷的相互融合、互相推動。電子學擴大了光子學應用的范圍，光子學也彌補了電子學中不可回避的短板。

1990年，萬維網(wǎng)的出現(xiàn)，光纖傳輸網(wǎng)絡將世界帶入信息網(wǎng)絡1.0時代，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時代（read-write web）和3.0時代（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)絡信道容量的不斷突破。

圖源：Medium

20世紀電子學對信息領域做出了巨大貢獻，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。電子學固有的在速度、容量上的局限性已經(jīng)不能滿足21世紀我們對通信速度、能量效率和使用成本的要求。而光子器件的響應速度比電子提高3-4個數(shù)量級，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、存儲能力、抗干擾能力等方面，光子學為信息科技的發(fā)展提供了新的可能性。因此，在21世紀，電子學和光子學會有更緊密的聯(lián)系。微電子和光子學的深度融合，為我們進入信息網(wǎng)絡x.0時代提供了不可或缺的保障。

由于巨大的需求驅(qū)動，這兩個關鍵半導體市場的核心技術(shù)在學術(shù)和商業(yè)領域近年來都發(fā)展迅速。

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

單晶硅憑借其大光學帶寬、強可擴展性、低廉的成本和造價、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。但是，硅屬于間接帶隙半導體，不能作為有效的光源，這嚴重阻礙了硅基集成光子學平臺的商業(yè)化發(fā)展。

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

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

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)分支的一個新技術(shù)領域，其中硅基三五族復合半導體的異質(zhì)集成是最成熟的一種。

圖1. 硅基異質(zhì)集成光子學及其發(fā)展分支

第一代異質(zhì)光子學集成的商業(yè)成果

2016年，由于學術(shù)和商業(yè)界的緊密合作，Intel公布了第一個商業(yè)化硅基異質(zhì)集成產(chǎn)品，實現(xiàn)了InP激光器與Si高速Mach-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，Intel在硅光領域的市場占有率已經(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，應用的多功能性以及可觀的投資回報。隨著市場需求的增長、更大的工業(yè)和政府投入以及供應鏈各環(huán)節(jié)供應商的加入，一個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)中心和高性能計算的基于InP-on-Si平臺的可插拔收發(fā)器；具有極低損耗、大透光窗口、優(yōu)秀的非線性效應的SiN-on-Si平臺，彌補了Si在低于1100nm波長時透光窗口截止的缺陷，在AR/VR、度量、生物醫(yī)藥、傳感等領域具有新的應用；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。

三個領域的近期進展：

通過選擇Si上不同的受激輻射材料和低損耗波導材料，實現(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)紀錄的器件，包括最小線寬達到140 Hz的窄線寬外腔激光器、梳齒寬度為12 nm的量子點激光梳、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)集成放大了各個材料的獨特優(yōu)勢；

在硅基異質(zhì)集成平臺的電學特性方面，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的固有的高速動態(tài)性能，使得該異質(zhì)MOS電容器在激光、調(diào)制器、開關、濾波器中可作為強大的補充。

異質(zhì)平臺的創(chuàng)新和發(fā)展

兩個有代表性的平臺級的創(chuàng)新：

第一個是是“背接式”異質(zhì)平臺，與III-V直接在Si側(cè)鍵合不同，這一平臺可耐受所有高溫過程，可實現(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。這不僅僅只是一個停留在學術(shù)研究領域的課題，它更將成為迎接數(shù)據(jù)通信浪潮，改變集成光子學格局的大勢所趨。

在一些應用領域，如航天、國防、量測等，只要不同材料的異質(zhì)集成能達到預期目的，成本不是考慮的主要問題；而在另外一些更大體量的應用領域，如數(shù)據(jù)中心的收發(fā)器、5G網(wǎng)絡、自動駕駛汽車中的激光雷達等，期望規(guī)?；瘧脦淼牡统杀??？傊?，工業(yè)界需要在多功能/集成密度和工藝兼容性/復雜度/體積二者之間進行權(quán)衡，以在每個應用中獲取利益最大化。

審核編輯：湯梓紅