Photonic integrated circuits光子集成电路，将一系列光电功能组合在单个芯片上，是日常生活中越来越普遍的一部分。它们用于连接数据中心服务器机架的高速光收发器，包括用于网站的收发器，用于保持自动驾驶汽车正常运行的激光雷达，以及用于发现大气中化学物质的光谱仪，以及许多其他应用。所有这些系统都变得更便宜，并且在某些情况下，通过使用硅制造技术制造大部分 IC，在经济上变得可行。

工程师们已经能够将几乎所有重要的光学功能（包括调制和检测的基本要素）集成到硅光子芯片上，除了一个：光发射。硅本身并不能有效地做到这一点，因此由所谓的 III-V 材料制成的半导体（以其成分在元素周期表上的位置命名）通常用于制造单独封装的组件以产生光。

如果您可以在设计中使用外部半导体激光管，那就没有问题。但最近有几个因素一直在推动工程师将激光器与硅光子学集成在一起。例如，可能没有空间容纳单独的光源。例如，旨在植入体内以监测血糖水平的微型设备可能会面临这个问题。或者，应用的成本可能需要更紧密的集成：当您可以在单个硅片上安装数百或数千个激光器时，与需要连接单独的芯片相比，您最终将获得更低的成本和更高的可靠性。

有很多方法可以实现激光器和硅的这种更紧密的集成。在位于比利时的纳米电子研发中心 Imec 工作，我们目前正在追求四种基本策略：Flip-Chip Integration倒装芯片加工、Microtransfer Printing微转移印刷、Die-to-Wafer Bonding晶圆键合和Monolithic Integration单片集成。以下是这些方法的工作原理、它们的可扩展性和成熟度以及它们的优缺点的指南。

图：在倒装芯片键合中，激光芯片 [左] 被单独转移并键合到硅光子学晶片上。

Flip-Chip Integration

倒装芯片集成

将激光器直接集成到硅晶片上的一种直接方法是一种称为倒装芯片加工的芯片封装技术，顾名思义。

芯片的电气连接位于顶部，最上层互连终止于金属焊盘。倒装芯片技术依赖于附着在这些焊盘上的焊球。然后将芯片翻转过来，使焊料与芯片封装上的相应焊盘对齐（在我们的例子中，则与另一个芯片对齐）。然后熔化焊料，将芯片粘合到封装上。

这个概念类似，但在尝试将激光芯片粘合到硅光子学芯片时更加严格。边缘发射激光器在晶圆上完全加工，切割成单独的芯片，并由供应商进行测试。然后，使用高精度版本的倒装芯片工艺，一次一个激光芯片，将单个激光芯片键合到目标硅光子晶圆上。困难的部分是确保在边缘发射的激光器的输出与硅光子芯片的输入对齐。我们使用一种称为对接耦合的工艺，其中激光器被放置在硅的凹陷部分，因此它在侧面紧邻硅光子学波导的蚀刻面。

为此，倒装芯片工艺需要所有三个维度的亚微米级对准精度。在过去的几年里，已经开发了专门的倒装芯片键合工具来完成这项工作，我们和我们的合作者和开发合作伙伴已经使用它们来优化组装工艺。利用先进的拾取和放置工具，使用机器视觉来保持精确对准，我们可以在短短几十秒内以优于 500 纳米的精度放置和粘合激光设备。

2021 年，我们还建立了一种晶圆级硅光子学工艺，以改进这一性能。它在硅芯片上增加了机械对准基座和更精确蚀刻的对接耦合接口，以实现优于几百纳米的垂直对准。使用这些技术，我们在 300 毫米硅光子学晶圆上组装了某些激光器件。我们很高兴地看到，来自每个设备的 50 毫瓦激光中有多达 80% 耦合到它所连接的硅光子学芯片中。在最坏的情况下，整个硅片的耦合率仍约为 60%。这些结果与主动对准所实现的耦合效率相媲美，主动对准是一个更耗时的过程，其中使用来自激光器本身的光来引导对准过程。

倒装芯片方法的一个显着优势是配对芯片类型的简单性和灵活性。由于它们可以在现有的制造生产线中生产，而额外的工程设计有限，因此它们都可以从多个制造商处采购。而且，随着市场需求的增加，越来越多的供应商提供倒装芯片组装服务。另一方面，该过程的顺序性质（每个激光芯片都需要单独拾取和放置）是一个明显的缺点。从长远来看，它限制了制造吞吐量和大幅降低成本的可能性。这对于成本敏感型应用（如消费类产品）以及每个芯片需要多个激光器件的系统尤其重要。

图：激光芯片使用高精度版本的倒装芯片方法连接到硅光子芯片上。

微转印

Microtransfer Printing

微转印打印消除了对接耦合的一些对准困难，同时也使装配过程更快。就像在倒装芯片加工中一样，发光器件在 III-V 族半导体衬底上生长。但有一个很大的区别：III-V 晶片没有被切割成单独的芯片。相反，晶圆上的激光器被底切，因此它们仅通过小系绳连接到源晶圆上。然后，这些设备用一个像墨水印章一样的工具一起被捡起来，打破了系绳。然后，该印章将激光器与硅光子学晶片上的波导结构对齐，并在那里粘合它们。

倒装芯片技术使用金属焊料凸块，而微转移打印使用粘合剂，甚至可以只使用分子键，它依靠两个平面之间的范德华力将激光器固定到位。此外，硅光子芯片中光源和波导之间的光学耦合是通过不同的过程发生的。该过程称为倏逝耦合，将激光置于硅波导结构的顶部，然后光“渗入”其中。尽管以这种方式传递的功率较小，但与对接耦合相比，倏逝耦合需要的精确对准较低。

具有更大的对齐容差使该技术能够一次传输数千个设备。因此，原则上，它应该允许比倒装芯片处理更高的吞吐量，并且非常适合要求每单位面积集成大量 III-V 元件的应用。

尽管转移打印是制造microLED显示器的成熟工艺，例如许多增强现实和虚拟现实产品所需的显示器，但尚未准备好打印激光器或光放大器。但我们正在到达那里。

去年，Imec 成功地使用转移印刷将此类光源连接到包含硅光子波导、高速光调制器和光电探测器的晶圆上。我们还打印了波长超过 45 nm 的红外激光器和适用于基于芯片的光谱系统的高脉冲能量器件。这些只是为了演示目的，但我们没有看到这种方法不能在高产量下获得良好结果的根本原因。因此，我们预计该技术将在几年内准备好在生产线上部署。

图：在微转印中，激光晶粒1 [红色矩形，左] 在其自身的晶圆上被微弱地固定在适当的位置。印模2[浅灰色] 一次拾取多个激光器并将它们放置在硅光子学晶圆3上。

Die-to-Wafer Bonding

晶片键合

将发光元件与其硅光子学配对精确对齐是我们讨论的两项技术的关键步骤。但有一种技术，一种所谓的 III-V 到硅晶片键合的形式，找到了解决这个问题的方法。该方案不是将已经构建的激光器（或其他发光组件）转移到加工过的硅晶片上，而是将 III-V 半导体的空白晶片（甚至小晶片）粘合到该硅晶片上。然后，您可以在相应的硅波导已经存在的位置上构建所需的激光器件。

在转移材料中，我们只对晶体 III-V 材料的薄层感兴趣，称为外延层。因此，在与硅晶片键合后，其余材料被去除。半导体激光管可以使用标准光刻和晶圆级工艺在与底层硅波导对齐的外延层中制造。然后蚀刻掉任何不需要的 III-V 材料。

英特尔的工程师在过去十年中开发了这种方法，并使用它构建的第一款商业产品光收发器于 2016 年推出。该方法允许高吞吐量集成，因为它支持同时并行处理多个设备。与转移印刷一样，它在 III-V 和硅材料之间使用倏逝耦合，从而产生高效的光学接口。

III-V 层到硅片键合的一个缺点是，您需要大量投资来建立一条生产线，该生产线可以使用用于制造直径为 200 毫米或 300 毫米的硅片的工具处理 III-V 族加工步骤。这种工具与半导体激光管代工厂中使用的工具非常不同，后者的典型晶圆直径要小得多。

图：在晶片到晶圆的键合中，III-V 族半导体 [粉红色] 的空白片被键合到已经加工的硅光子学晶片上。III-V 材料被加工成硅波导上方的激光器。然后蚀刻掉其余的 III-V 材料。

Monolithic Integration

单片集成

将所涉及的两种不同材料配接的理想方法是直接在硅上生长 III-V 族半导体，这种方法称为单片集成。这将消除任何粘合或对准的需要，并且会减少浪费的 III-V 材料的数量。但是，要使这种策略切实可行，必须克服许多技术障碍。因此，IMEC 和其他地方继续朝着这个目标进行研究。

该研究的主要目的是创造具有低缺陷密度的晶体 III-V 材料。根本问题是，硅中原子的晶格间距与感兴趣的 III-V 族半导体中原子的晶格间距之间存在相当大的不匹配，超过 4%。

由于这种晶格失配，硅上生长的每个 III-V 层都会变得应变。在仅添加几纳米的 III-V 族薄膜后，晶体中的缺陷就会出现，从而释放积聚的应变。这些“失配”缺陷沿着穿透整个 III-V 层的线形成。这些缺陷包括开路晶体键和局部晶体畸变，这两者都会严重降低光电器件的性能。

为了防止这些缺陷杀死激光，必须将它们限制在远离设备的地方。这样做通常涉及铺设一层几微米厚的 III-V 材料，在下面的错配缺陷和上面的无应力区域之间形成一个巨大的缓冲区，在那里可以制造激光设备。加州大学圣巴巴拉分校的研究人员报告了使用这种方法的出色进展，展示了基于砷化镓的高效量子点激光器，具有良好的可靠性寿命。

然而，这些实验只在小规模上进行。将该技术扩展到工业中使用的 200 或 300 毫米晶圆将很困难。添加较厚的缓冲层可能会导致各种机械问题，例如 III-V 族薄膜内部出现裂纹或晶圆弯曲。此外，由于有源器件位于如此厚的缓冲层之上，因此将光耦合到硅衬底中的底层波导是具有挑战性的。

为了规避这些挑战，Imec 引入了一种称为 nanoridge 工程 （NRE） 的整体集成新方法。该技术旨在迫使缺陷在如此狭窄的空间内形成，以至于工作器件可以在与底层硅的界面上方 100 nm 处构建。

NRE 使用一种称为纵横比捕获的现象将缺陷限制在小区域。它首先在一层二氧化硅绝缘体内形成狭窄而深的沟槽。在沟槽的底部，绝缘体与硅相接的地方，一个凹槽切入硅，使空隙具有箭头形的横截面。然后在沟槽内生长一层薄薄的 III-V 晶体，应变诱导的 misfit 缺陷被有效地捕获在沟槽侧壁，防止这些缺陷线深入更远。沟槽填充后，生长继续在沟槽上方形成更大的 III-V 材料纳米脊。该纳米级脊中的材料充分没有缺陷，因此可以用于激光设备。

大多数关于单体集成的研究都是在改进单个设备并确定其失败原因的层面上完成的。但 Imec 在展示与该技术的完全晶圆级集成方面已经取得了重大进展，在 300 毫米硅试产线中生产了高质量的基于 GaAs 的光电二极管。下一个里程碑将是演示基于与光电二极管类似设计的电泵浦激光器。Nanoridge 工程仍在实验室中开发中，但如果它成功，无疑会对这个行业产生很大影响。

图：Nanoridge Engineering 在硅中特殊形状的沟槽中生长适合激光的半导体。沟槽的形状将缺陷捕获在远低于激光构建区域的位置 。

硅基激光器的前景

在未来几年内，这里讨论的每种方法肯定会进一步发展。我们预计它们最终将共存，以满足不同的应用程序需求和使用案例。

倒装芯片激光器组装相对适中的设置成本和就绪性将使近期产品成为可能，并且对于每个光子 IC 只需要一个或几个激光器的应用特别有吸引力，例如数据中心中使用的光收发器。此外，这种方法固有的灵活性使其对需要非标准激光波长或不常见光子学技术的应用具有吸引力。

对于每个光子 IC 需要多个激光器或放大器的大批量应用，转移印刷和晶片到晶圆键合可提供更高的制造吞吐量、更小的耦合损耗，并有可能进一步降低成本。由于这里的设置成本要高得多，因此这些技术适用的应用程序必须具有较大的市场。

最后，硅上的直接 III-V 族外延，例如 NRE 技术，代表了激光集成的终极水平。但我们和其他研究人员必须在材料质量和晶圆级集成方面取得进一步进展，以释放其潜力。

链接：https://spectrum.ieee.org/lasers-on-silicon

来源：睐芯科技LightSense

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