硅基光電子異質(zhì)集成的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
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(zhǎng)的重要性[1]。



硅基光電子技術(shù)的誕生與發(fā)展
8 I5 G; z) l" l, D( P1 Y硅基光電子技術(shù)的旅程始于20世紀(jì)80年代，當(dāng)時(shí)開發(fā)出了在1.3和1.55μm波長(zhǎng)下工作的硅基波導(dǎo)，這些波長(zhǎng)對(duì)光纖通信很重要。隨后出現(xiàn)了幾個(gè)重要的里程碑：

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(duì)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(shí)用的光纖到芯片的耦合結(jié)構(gòu)。

通過在硅上外延生長(zhǎng)鍺，實(shí)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(gè)方面的改進(jìn)，包括波導(dǎo)損耗、調(diào)制器帶寬和光電探測(cè)器帶寬。


硅基光電子技術(shù)的當(dāng)前狀態(tài)
如今，硅基光電子已發(fā)展成為一個(gè)成熟的技術(shù)平臺(tái)。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(tái)成為實(shí)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。

. V/ |: Z1 h$ n1 F. b( R+ J/ W  p" ^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(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，用于光纖傳輸。

8 @, c# T) O( S8 B市場(chǎng)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(chǎng)規(guī)模仍相對(duì)較小。然而，增長(zhǎng)潛力巨大：

市場(chǎng)分析師預(yù)測(cè)收發(fā)器市場(chǎng)將實(shí)現(xiàn)兩位數(shù)增長(zhǎng)。

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(chǎng)和應(yīng)用領(lǐng)域。
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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(cè)與測(cè)距（LIDAR）

神經(jīng)形態(tài)計(jì)算

量子計(jì)算

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）

環(huán)境和工業(yè)傳感

醫(yī)療傳感
[/ol]

3 ?" n% n3 A; l2 `9 S2 y& v對(duì)異質(zhì)集成的需求
4 @- ~4 q6 O* D( ]隨著硅基光電子擴(kuò)展到多樣化的市場(chǎng)，對(duì)新功能和增強(qiáng)性能的需求不斷增加。這種需求推動(dòng)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(tái)中。
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異質(zhì)集成的主要驅(qū)動(dòng)因素包括：

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

性能增強(qiáng)：克服基于SOI平臺(tái)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。
* n' }. c6 d& Q' r[/ol]
回顧圖1，我們可以看到集成新材料（由實(shí)線表示）如何將基于SOI的硅基光電子平臺(tái)的性能提升超越了原有能力（由虛線表示）。
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異質(zhì)集成技術(shù)
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(tái)（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(zhǎng)
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/ u# Z; o) f- j" B& w6 C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。


異質(zhì)集成材料
* O% N  x6 K& H$ G" D0 n& T; {8 \- O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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( N# N5 y, C9 ?" M9 w4 @. z* W# [異質(zhì)集成的挑戰(zhàn)
7 e3 ~. L( u% J! C+ s雖然異質(zhì)集成提供了眾多機(jī)會(huì)，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(duì)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(gè)包含多個(gè)專業(yè)代工廠的新供應(yīng)鏈模型。
( l6 T4 ^& z* l$ [0 i& s9 M
, ], w4 a! y6 `7 J( A新供應(yīng)鏈模型
為應(yīng)對(duì)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(shí)際集成和相關(guān)晶圓級(jí)后處理的代工廠。

$ d2 X, s+ g% I: \" }0 j: c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(cè)試方法。

創(chuàng)建一個(gè)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(chǎng)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(cè)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(duì)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(tái)的能力。
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結(jié)論
0 A$ Q1 G# g4 V/ ?5 ?1 x! n異質(zhì)集成對(duì)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(chǎng)和應(yīng)用領(lǐng)域，可能在未來幾年推動(dòng)實(shí)質(zhì)性增長(zhǎng)。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。
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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(tái)上的融合將在高速通信、傳感和計(jì)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(dòng)多個(gè)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。


9 h5 a4 _, U! F% O! E0 @$ g. m% h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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