硅基光電子異質(zhì)集成的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

逍遙設(shè)計自動化

引言
2 \/ m4 C3 I4 y, U/ b5 \硅基光電子技術(shù)是集成光學(xué)領(lǐng)域的革命性技術(shù)，利用了微電子行業(yè)成熟的制造工藝。本文探討了硅基光電子技術(shù)的發(fā)展歷程、當(dāng)前狀況，以及異質(zhì)集成在擴(kuò)展其能力和應(yīng)用方面日益增長的重要性[1]。
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! Q! g+ ?* ?- @4 E7 T" V硅基光電子技術(shù)的誕生與發(fā)展
硅基光電子技術(shù)的旅程始于20世紀(jì)80年代，當(dāng)時開發(fā)出了在1.3和1.55μm波長下工作的硅基波導(dǎo)，這些波長對光纖通信很重要。隨后出現(xiàn)了幾個重要的里程碑：
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20世紀(jì)90年代初，利用硅絕緣體（SOI）晶圓創(chuàng)造了高折射率對比度的硅波導(dǎo)。

21世紀(jì)初，通過深紫外（DUV）光刻技術(shù)展示了低損耗的SOI波導(dǎo)。

開發(fā)出實用的光纖到芯片的耦合結(jié)構(gòu)。

通過在硅上外延生長鍺，實現(xiàn)了波導(dǎo)集成的光電二極管。

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圖1展示了基于SOI的硅基光電子關(guān)鍵構(gòu)建模塊的性能演變。這張圖顯示了硅基光電子技術(shù)在各個方面的改進(jìn)，包括波導(dǎo)損耗、調(diào)制器帶寬和光電探測器帶寬。

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硅基光電子技術(shù)的當(dāng)前狀態(tài)
" ]# e; D( v, R% t如今，硅基光電子已發(fā)展成為一個成熟的技術(shù)平臺。全球多家互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）代工廠、集成器件制造商（IDM）和研究機(jī)構(gòu)已在200或300毫米晶圓上開發(fā)出成熟的SOI光電子集成芯片制程。這些平臺成為實現(xiàn)用于數(shù)據(jù)中心和電信應(yīng)用的緊湊、成本效益高的高速收發(fā)器的載體。
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$ R! y) l3 N( `) a硅基光電子技術(shù)的主要應(yīng)用包括：

用于數(shù)據(jù)和電信網(wǎng)絡(luò)的高速收發(fā)器（100-400 Gb/s）。

將高速數(shù)字電信號轉(zhuǎn)換為光信號，用于光纖傳輸。
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& q& r# [# Z, d' k6 p- ?  H' t市場前景和挑戰(zhàn)
硅基光電子技術(shù)在光通信領(lǐng)域取得了顯著成功，但從半導(dǎo)體行業(yè)的角度來看，市場規(guī)模仍相對較小。然而，增長潛力巨大：

市場分析師預(yù)測收發(fā)器市場將實現(xiàn)兩位數(shù)增長。

技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者正在探索人工智能應(yīng)用的硅基光電子解決方案。

硅基光電子正在擴(kuò)展到各種新市場和應(yīng)用領(lǐng)域。
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& L0 W" d. `- m4 M1 s8 Y硅基光電子新興應(yīng)用包括：

微波光子技術(shù)（如5G無線網(wǎng)絡(luò)）

光探測與測距（LIDAR）

神經(jīng)形態(tài)計算

量子計算

增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）和虛擬現(xiàn)實（VR）

環(huán)境和工業(yè)傳感

醫(yī)療傳感
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" U4 ?& X' z5 `6 h3 l& W+ [+ K對異質(zhì)集成的需求
- r: H7 B! c9 {0 O) `0 W; e3 S隨著硅基光電子擴(kuò)展到多樣化的市場，對新功能和增強(qiáng)性能的需求不斷增加。這種需求推動了異質(zhì)集成的探索—將新材料、芯片和薄膜chiplet集成到硅基光電子平臺中。
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異質(zhì)集成的主要驅(qū)動因素包括：

波長多樣性：不同應(yīng)用需要在各種波長下運(yùn)行，從可見光到中紅外。

性能增強(qiáng)：克服基于SOI平臺由于物理限制或制造缺陷造成的限制。

新功能：集成光源、光隔離器和非易失性構(gòu)建模塊等組件。
" K+ y# K; V+ M$ o0 Y  k- L[/ol]
  D! e7 R& O! N- F* }/ K回顧圖1，我們可以看到集成新材料（由實線表示）如何將基于SOI的硅基光電子平臺的性能提升超越了原有能力（由虛線表示）。

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  a3 F4 J$ L2 O% b: H0 P% L異質(zhì)集成技術(shù)
, T! I, J1 H+ \- u! t硅基光電子中已開發(fā)出幾種異質(zhì)集成方法：

在硅基光電子晶圓上附加微光學(xué)平臺（MOB）

III-V族芯片倒裝焊接

未加工外延層堆棧的芯片到晶圓或晶圓到晶圓鍵合

加工后III-V族薄膜chiplet的微轉(zhuǎn)移印刷

III-V族材料在硅上的單片直接外延生長
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" H& u+ X; J+ F) ~2 {' s8 J其中，第一種和第三種技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到可以進(jìn)行較大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的程度。
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異質(zhì)集成材料
硅基光電子異質(zhì)集成正在探索多種材料：

III-V族半導(dǎo)體（基于InP、GaAs、GaN或GaSb）

電光材料（鈮酸鋰、鈦酸鋇、極化有機(jī)聚合物）

二維材料（如石墨烯）

稀土摻雜氧化物

磁光材料（如Ce:YIG）

壓電材料（如鋯鈦酸鉛 - PZT）

相變材料（如Ge2Sb2Te5 - GST）

液晶
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: h+ u4 G- q3 t3 I4 \6 I異質(zhì)集成的挑戰(zhàn)
$ q/ w$ \* J' d0 T; p" S雖然異質(zhì)集成提供了眾多機(jī)會，但也面臨重大挑戰(zhàn)：
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經(jīng)濟(jì)可行性：為多種材料組合開發(fā)和維護(hù)制造工藝流程成本高昂，特別是對于小眾應(yīng)用。

工藝兼容性：某些材料可能由于污染問題而不被CMOS環(huán)境接受。

熱預(yù)算限制：某些材料的集成可能由于溫度限制而影響整體工藝流程。

供應(yīng)鏈復(fù)雜性：材料和工藝的多樣性可能需要一個包含多個專業(yè)代工廠的新供應(yīng)鏈模型。
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; R+ s# [, \9 ]& ?新供應(yīng)鏈模型
' b8 j7 U" N9 R8 d. z) S: I& u為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，硅基光電子行業(yè)可能朝向更分散的制造模式發(fā)展：

前端工藝處理：執(zhí)行適用于多種用途的通用工藝流程的代工廠。

專業(yè)材料準(zhǔn)備：準(zhǔn)備特殊材料晶圓、芯片或chiplet的設(shè)施。

異質(zhì)集成和后處理：專門執(zhí)行實際集成和相關(guān)晶圓級后處理的代工廠。

這種模式需要：

標(biāo)準(zhǔn)化制造過程不同階段之間的接口。

開發(fā)中間產(chǎn)品的可靠規(guī)格和測試方法。

創(chuàng)建一個可靠靈活的供應(yīng)鏈，能夠支持各種異質(zhì)硅基光電子芯片。
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未來展望和建議
硅基光電子的未來在于通過異質(zhì)集成適應(yīng)多樣化的市場需求。為促進(jìn)這一演進(jìn)，建議采取以下步驟：

投資研究制造過程不同階段之間接口的標(biāo)準(zhǔn)化和測試方法。

開發(fā)靈活模塊化的工藝流程，允許多種材料的異質(zhì)集成，并盡量減少定制需求。

探索后端集成技術(shù)，以最小化對現(xiàn)有前端工藝的影響。

促進(jìn)供應(yīng)鏈不同環(huán)節(jié)之間的合作，創(chuàng)建更加集成和高效的生態(tài)系統(tǒng)。

繼續(xù)研究新材料和集成技術(shù)，擴(kuò)展硅基光電子平臺的能力。
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/ G0 a9 ~& q' {結(jié)論
: W9 Q) L" r4 f+ m異質(zhì)集成對硅基光電子行業(yè)既是重大機(jī)遇，也是巨大挑戰(zhàn)。通過采用這種方法，硅基光電子可以擴(kuò)展到新的市場和應(yīng)用領(lǐng)域，可能在未來幾年推動實質(zhì)性增長。然而，成功將取決于通過制造工藝、供應(yīng)鏈管理和標(biāo)準(zhǔn)化努力的創(chuàng)新來克服技術(shù)和經(jīng)濟(jì)障礙。

& h, i  m' y! V8 J- C* q# O隨著該領(lǐng)域不斷發(fā)展，多樣化材料和技術(shù)在硅基光電子平臺上的融合將在高速通信、傳感和計算等領(lǐng)域帶來新的可能性。通過解決異質(zhì)集成的挑戰(zhàn)，硅基光電子行業(yè)為下一代光電子集成芯片鋪平道路，推動多個領(lǐng)域的創(chuàng)新，并鞏固其作為未來關(guān)鍵使能技術(shù)的地位。


參考文獻(xiàn)
[1] R. Baets and A. Rahim, "Heterogeneous integration in silicon photonics: opportunities and challenges: opinion," Opt. Mater. Express, vol. 13, no. 12, pp. 3439-3444, Dec. 2023.

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7 {& K. q( F; J8 k% C深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
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