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引言6 C! U+ {' M( `/ D" T+ I5 N8 J
硅基光電子技術是集成光學領域的革命性技術,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的發(fā)展歷程、當前狀況,以及異質(zhì)集成在擴展其能力和應用方面日益增長的重要性[1]。5 j& |$ k5 n+ A6 m1 v4 y
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硅基光電子技術的誕生與發(fā)展
- y& b, S' A- F" R硅基光電子技術的旅程始于20世紀80年代,當時開發(fā)出了在1.3和1.55μm波長下工作的硅基波導,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:
6 Y. Q! J s! ^! v' o* Y20世紀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。21世紀初,通過深紫外(DUV)光刻技術展示了低損耗的SOI波導。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)了波導集成的光電二極管。2 Q' G5 {0 e0 h0 r, V% z% }+ J
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圖1展示了基于SOI的硅基光電子關鍵構(gòu)建模塊的性能演變。這張圖顯示了硅基光電子技術在各個方面的改進,包括波導損耗、調(diào)制器帶寬和光電探測器帶寬。
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" w: |* ^$ ?. _: u, U" Q6 I# T硅基光電子技術的當前狀態(tài)3 B9 F5 A! s& W
如今,硅基光電子已發(fā)展成為一個成熟的技術平臺。全球多家互補金屬氧化物半導體(CMOS)代工廠、集成器件制造商(IDM)和研究機構(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)中心和電信應用的緊湊、成本效益高的高速收發(fā)器的載體。) D6 v7 k8 N. k
. U& I6 I0 n* P0 }9 i: r' }* r, n硅基光電子技術的主要應用包括:4 x" ~8 _" N1 X, p/ t8 f6 K
用于數(shù)據(jù)和電信網(wǎng)絡的高速收發(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。6 s* s* I x& v# B% c
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市場前景和挑戰(zhàn)
% H* f3 v6 A! _, Z' j2 i' b) X硅基光電子技術在光通信領域取得了顯著成功,但從半導體行業(yè)的角度來看,市場規(guī)模仍相對較小。然而,增長潛力巨大:市場分析師預測收發(fā)器市場將實現(xiàn)兩位數(shù)增長。技術領導者正在探索人工智能應用的硅基光電子解決方案。硅基光電子正在擴展到各種新市場和應用領域。
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硅基光電子新興應用包括:微波光子技術(如5G無線網(wǎng)絡)光探測與測距(LIDAR)神經(jīng)形態(tài)計算量子計算增強現(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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對異質(zhì)集成的需求5 M7 I- I# j: c0 Y$ v J3 \3 Z3 d5 I
隨著硅基光電子擴展到多樣化的市場,對新功能和增強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。6 W! Q4 ?$ I; T" ~9 z1 t* }5 ^
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異質(zhì)集成的主要驅(qū)動因素包括:波長多樣性:不同應用需要在各種波長下運行,從可見光到中紅外。性能增強: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。4 g4 [) c; V. P, [* x
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; k8 M# x$ w" j+ a4 ^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)。 p+ B- M+ J! M' Z
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異質(zhì)集成技術
# T6 {. Z# b+ _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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4 a0 [; J- L* S1 N2 C+ k) a7 x其中,第一種和第三種技術已經(jīng)發(fā)展到可以進行較大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的程度。1 v# V, Z0 [3 I5 B* e, p
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" z2 T( Y" n! F: V異質(zhì)集成材料- X. d' W% j6 P5 c5 f/ ^, N
硅基光電子異質(zhì)集成正在探索多種材料:III-V族半導體(基于InP、GaAs、GaN或GaSb)電光材料(鈮酸鋰、鈦酸鋇、極化有機聚合物)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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8 e8 T% `5 F, w5 |/ p5 U異質(zhì)集成的挑戰(zhàn)% ]5 `( h/ [! a: p
雖然異質(zhì)集成提供了眾多機會,但也面臨重大挑戰(zhàn):% @4 v( y. ~. d. F5 P' s
經(jīng)濟可行性:為多種材料組合開發(fā)和維護制造工藝流程成本高昂,特別是對于小眾應用。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。供應鏈復雜性:材料和工藝的多樣性可能需要一個包含多個專業(yè)代工廠的新供應鏈模型。
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9 a. J0 h9 X& p: @" y. W# f新供應鏈模型
V G, M- t# z w% A4 K; l, o' V為應對這些挑戰(zhàn),硅基光電子行業(yè)可能朝向更分散的制造模式發(fā)展:
h! {" L, |' b! ?$ i e9 K6 `2 _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)材料準備:準備特殊材料晶圓、芯片或chiplet的設施。異質(zhì)集成和后處理:專門執(zhí)行實際集成和相關晶圓級后處理的代工廠。# z3 b6 z( I2 F0 E( T( }
! e& |" k7 t3 k1 Q8 i; k& r7 a" }這種模式需要:* u, ^ B# c. d# `, U4 H
標準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鏈,能夠支持各種異質(zhì)硅基光電子芯片。6 O8 v1 @! F3 l \- Q1 `. t/ ?; Z9 E
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/ F- g2 h& v& q/ r( e% L; \未來展望和建議0 B0 {# G" H* j+ j+ B' q T# j) P
硅基光電子的未來在于通過異質(zhì)集成適應多樣化的市場需求。為促進這一演進,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準化和測試方法。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,以最小化對現(xiàn)有前端工藝的影響。促進供應鏈不同環(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,擴展硅基光電子平臺的能力。4 ?- I, I3 g: K" a
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結(jié)論
0 v2 o$ n2 s$ C% }異質(zhì)集成對硅基光電子行業(yè)既是重大機遇,也是巨大挑戰(zhàn)。通過采用這種方法,硅基光電子可以擴展到新的市場和應用領域,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、供應鏈管理和標準化努力的創(chuàng)新來克服技術和經(jīng)濟障礙。( Y: ]- D: o6 R+ C3 E) a9 @4 P, H
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隨著該領域不斷發(fā)展,多樣化材料和技術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,推動多個領域的創(chuàng)新,并鞏固其作為未來關鍵使能技術的地位。% E; F8 y$ @) e7 i* c B+ N
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參考文獻
% j8 i! R$ L: n q3 q3 O( L/ c[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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