Photonic integrated circuits光子集成電路，將一系列光電功能組合在單個芯片上，是日常生活中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，包括用于網(wǎng)站的收發(fā)器，用于保持自動駕駛汽車正常運行的激光雷達，以及用于發(fā)現(xiàn)大氣中化學物質(zhì)的光譜儀，以及許多其他應(yīng)用。所有這些系統(tǒng)都變得更便宜，并且在某些情況下，通過使用硅制造技術(shù)制造大部分 IC，在經(jīng)濟上變得可行。

工程師們已經(jīng)能夠?qū)�幾乎所有重要的光學功能（包括調(diào)制和檢測的基本要素）集成到硅光子芯片上，除了一個：光發(fā)射。硅本身并不能有效地做到這一點，因此由所謂的 III-V 材料制成的半導體（以其成分在元素周期表上的位置命名）通常用于制造單獨封裝的組件以產(chǎn)生光。

如果您可以在設(shè)計中使用外部半導體激光管，那就沒有問題。但最近有幾個因素一直在推動工程師將激光器與硅光子學集成在一起。例如，可能沒有空間容納單獨的光源。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�；蛘撸瑧�(yīng)用的成本可能需要更緊密的集成：當您可以在單個硅片上安裝數(shù)百或數(shù)千個激光器時，與需要連接單獨的芯片相比，您最終將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，我們目前正在追求四種基本策略：Flip-Chip Integration倒裝芯片加工、Microtransfer Printing微轉(zhuǎn)移印刷、Die-to-Wafer Bonding晶圓鍵合和Monolithic Integration單片集成。以下是這些方法的工作原理、它們的可擴展性和成熟度以及它們的優(yōu)缺點的指南。

圖：在倒裝芯片鍵合中，激光芯片 [左] 被單獨轉(zhuǎn)移并鍵合到硅光子學晶片上。

Flip-Chip Integration

倒裝芯片集成

將激光器直接集成到硅晶片上的一種直接方法是一種稱為倒裝芯片加工的芯片封裝技術(shù)，顧名思義。

芯片的電氣連接位于頂部，最上層互連終止于金屬焊盤。倒裝芯片技術(shù)依賴于附著在這些焊盤上的焊球。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（在我們的例子中，則與另一個芯片對齊）。然后熔化焊料，將芯片粘合到封裝上。

這個概念類似，但在嘗試將激光芯片粘合到硅光子學芯片時更加嚴格。邊緣發(fā)射激光器在晶圓上完全加工，切割成單獨的芯片，并由供應(yīng)商進行測試。然后，使用高精度版本的倒裝芯片工藝，一次一個激光芯片，將單個激光芯片鍵合到目標硅光子晶圓上。困難的部分是確保在邊緣發(fā)射的激光器的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的工藝，其中激光器被放置在硅的凹陷部分，因此它在側(cè)面緊鄰硅光子學波導的蝕刻面。

為此，倒裝芯片工藝需要所有三個維度的亞微米級對準精度。在過去的幾年里，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，我們和我們的合作者和開發(fā)合作伙伴已經(jīng)使用它們來優(yōu)化組裝工藝。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，我們可以在短短幾十秒內(nèi)以優(yōu)于 500 納米的精度放置和粘合激光設(shè)備。

2021 年，我們還建立了一種晶圓級硅光子學工藝，以改進這一性能。它在硅芯片上增加了機械對準基座和更精確蝕刻的對接耦合接口，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 毫米硅光子學晶圓上組裝了某些激光器件。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 80% 耦合到它所連接的硅光子學芯片中。在最壞的情況下，整個硅片的耦合率仍約為 60%。這些結(jié)果與主動對準所實現(xiàn)的耦合效率相媲美，主動對準是一個更耗時的過程，其中使用來自激光器本身的光來引導對準過程。

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。由于它們可以在現(xiàn)有的制造生產(chǎn)線中生產(chǎn)，而額外的工程設(shè)計有限，因此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拾取和放置）是一個明顯的缺點。從長遠來看，它限制了制造吞吐量和大幅降低成本的可能性。這對于成本敏感型應(yīng)用（如消費類產(chǎn)品）以及每個芯片需要多個激光器件的系統(tǒng)尤其重要。

圖：激光芯片使用高精度版本的倒裝芯片方法連接到硅光子芯片上。

微轉(zhuǎn)印

Microtransfer Printing

微轉(zhuǎn)印打印消除了對接耦合的一些對準困難，同時也使裝配過程更快。就像在倒裝芯片加工中一樣，發(fā)光器件在 III-V 族半導體襯底上生長。但有一個很大的區(qū)別：III-V 晶片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上。然后，這些設(shè)備用一個像墨水印章一樣的工具一起被撿起來，打破了系繩。然后，該印章將激光器與硅光子學晶片上的波導結(jié)構(gòu)對齊，并在那里粘合它們。

倒裝芯片技術(shù)使用金屬焊料凸塊，而微轉(zhuǎn)移打印使用粘合劑，甚至可以只使用分子鍵，它依靠兩個平面之間的范德華力將激光器固定到位。此外，硅光子芯片中光源和波導之間的光學耦合是通過不同的過程發(fā)生的。該過程稱為倏逝耦合，將激光置于硅波導結(jié)構(gòu)的頂部，然后光“滲入”其中。盡管以這種方式傳遞的功率較小，但與對接耦合相比，倏逝耦合需要的精確對準較低。

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，并且非常適合要求每單位面積集成大量 III-V 元件的應(yīng)用。

盡管轉(zhuǎn)移打印是制造microLED顯示器的成熟工藝，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器或光放大器。但我們正在到達那里。

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。我們還打印了波長超過 45 nm 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，但我們沒有看到這種方法不能在高產(chǎn)量下獲得良好結(jié)果的根本原因。因此，我們預計該技術(shù)將在幾年內(nèi)準備好在生產(chǎn)線上部署。

圖：在微轉(zhuǎn)印中，激光晶粒1 [紅色矩形，左] 在其自身的晶圓上被微弱地固定在適當?shù)奈恢�。印�?[淺灰色] 一次拾取多個激光器并將它們放置在硅光子學晶圓3上。

Die-to-Wafer Bonding

晶片鍵合

將發(fā)光元件與其硅光子學配對精確對齊是我們討論的兩項技術(shù)的關(guān)鍵步驟。但有一種技術(shù)，一種所謂的 III-V 到硅晶片鍵合的形式，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)光組件）轉(zhuǎn)移到加工過的硅晶片上，而是將 III-V 半導體的空白晶片（甚至小晶片）粘合到該硅晶片上。然后，您可以在相應(yīng)的硅波導已經(jīng)存在的位置上構(gòu)建所需的激光器件。

在轉(zhuǎn)移材料中，我們只對晶體 III-V 材料的薄層感興趣，稱為外延層。因此，在與硅晶片鍵合后，其余材料被去除。半導體激光管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。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，并使用它構(gòu)建的第一款商業(yè)產(chǎn)品光收發(fā)器于 2016 年推出。該方法允許高吞吐量集成，因為它支持同時并行處理多個設(shè)備。與轉(zhuǎn)移印刷一樣，它在 III-V 和硅材料之間使用倏逝耦合，從而產(chǎn)生高效的光學接口。

III-V 層到硅片鍵合的一個缺點是，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直徑為 200 毫米或 300 毫米的硅片的工具處理 III-V 族加工步驟。這種工具與半導體激光管代工廠中使用的工具非常不同，后者的典型晶圓直徑要小得多。

圖：在晶片到晶圓的鍵合中，III-V 族半導體 [粉紅色] 的空白片被鍵合到已經(jīng)加工的硅光子學晶片上。III-V 材料被加工成硅波導上方的激光器。然后蝕刻掉其余的 III-V 材料。

Monolithic Integration

單片集成

將所涉及的兩種不同材料配接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)�準的需要，并且會減少浪費的 III-V 材料的數(shù)量。但是，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晶體 III-V 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，硅上生長的每個 III-V 層都會變得應(yīng)變。在僅添加幾納米的 III-V 族薄膜后，晶體中的缺陷就會出現(xiàn)，從而釋放積聚的應(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和局部晶體畸變，這兩者都會嚴重降低光電器件的性能。

為了防止這些缺陷殺死激光，必須將它們限制在遠離設(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，在下面的錯配缺陷和上面的無應(yīng)力區(qū)域之間形成一個巨大的緩沖區(qū)，在那里可以制造激光設(shè)備。加州大學圣巴巴拉分校的研究人員報告了使用這種方法的出色進展，展示了基于砷化鎵的高效量子點激光器，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 或 300 毫米晶圓將很困難。添加較厚的緩沖層可能會導致各種機械問題，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是具有挑戰(zhàn)性的。

為了規(guī)避這些挑戰(zhàn)，Imec 引入了一種稱為 nanoridge 工程 （NRE） 的整體集成新方法。該技術(shù)旨在迫使缺陷在如此狹窄的空間內(nèi)形成，以至于工作器件可以在與底層硅的界面上方 100 nm 處構(gòu)建。

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)形成狹窄而深的溝槽。在溝槽的底部，絕緣體與硅相接的地方，一個凹槽切入硅，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 晶體，應(yīng)變誘導的 misfit 缺陷被有效地捕獲在溝槽側(cè)壁，防止這些缺陷線深入更遠。溝槽填充后，生長繼續(xù)在溝槽上方形成更大的 III-V 材料納米脊。該納米級脊中的材料充分沒有缺陷，因此可以用于激光設(shè)備。

大多數(shù)關(guān)于單體集成的研究都是在改進單個設(shè)備并確定其失敗原因的層面上完成的。但 Imec 在展示與該技術(shù)的完全晶圓級集成方面已經(jīng)取得了重大進展，在 300 毫米硅試產(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。Nanoridge 工程仍在實驗室中開發(fā)中，但如果它成功，無疑會對這個行業(yè)產(chǎn)生很大影響。

圖：Nanoridge Engineering 在硅中特殊形狀的溝槽中生長適合激光的半導體。溝槽的形狀將缺陷捕獲在遠低于激光構(gòu)建區(qū)域的位置 。

硅基激光器的前景

在未來幾年內(nèi)，這里討論的每種方法肯定會進一步發(fā)展。我們預計它們最終將共存，以滿足不同的應(yīng)用程序需求和使用案例。

倒裝芯片激光器組裝相對適中的設(shè)置成本和就緒性將使近期產(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)中心中使用的光收發(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光子學技術(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)移印刷和晶片到晶圓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。由于這里的設(shè)置成本要高得多，因此這些技術(shù)適用的應(yīng)用程序必須具有較大的市場。

最后，硅上的直接 III-V 族外延，例如 NRE 技術(shù)，代表了激光集成的終極水平。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，以釋放其潛力。

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來源：睞芯科技LightSense

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