光子集成電路，將一系列光電功能組合在一塊芯片上，在日常生活中越來(lái)越常見(jiàn)。它們被用于連接數據中心服務(wù)器機架的高速光收發(fā)器，包括用于傳輸IEEE Spectrum網(wǎng)站的高速光收發(fā)器，用于保持自動(dòng)駕駛汽車(chē)在軌道上的激光雷達，用于發(fā)現大氣中的化學(xué)物質(zhì)的光譜儀，以及許多其他應用。所有這些系統都變得越來(lái)越便宜，在某些情況下，通過(guò)使用硅制造技術(shù)制造大部分集成電路，在經(jīng)濟上已經(jīng)變得可行。

工程師們已經(jīng)能夠在硅光子芯片上集成幾乎所有重要的光學(xué)功能，包括調制和檢測的基本功能，除了一項：發(fā)光。硅本身不能有效地做到這一點(diǎn)，所以由所謂的III-V材料制成的半導體，以其成分在周期表上的位置命名，通常用于制造單獨封裝的組件來(lái)發(fā)光。

如果你可以在你的設計中使用外部激光二極管，那就沒(méi)有問(wèn)題。但最近有幾個(gè)因素促使工程師們將激光與硅光子學(xué)集成起來(lái)。例如，可能沒(méi)有空間放置單獨的光源。植入體內用于監測血糖水平的微型設備可能會(huì )面臨這個(gè)問(wèn)題?；蛘邞贸绦虻某杀究赡苄枰o密的集成:當你可以在一塊硅片上安裝數百或數千個(gè)激光器時(shí)，你最終將獲得比需要連接單獨芯片更低的成本和更高的可靠性。

有很多方法可以實(shí)現激光和硅的這種更緊密的集成。在位于比利時(shí)的納米電子研發(fā)中心 Imec 工作，我們目前正在推行四種基本策略：倒裝芯片加工、微轉移印刷、晶圓鍵合和單片集成。以下是關(guān)于這些方法如何工作、它們的可擴展性和成熟度水平以及它們的優(yōu)缺點(diǎn)的指南。

在倒裝芯片鍵合中，激光芯片 [左] 被單獨轉移并鍵合到硅光子晶圓上。

倒裝芯片集成

將激光器直接集成到硅晶圓上的一種直接方法是芯片封裝技術(shù)，稱(chēng)為倒裝芯片工藝，顧名思義。

芯片的電氣連接在頂部，最上層的互連終止于金屬焊盤(pán)。倒裝芯片技術(shù)依賴(lài)于連接到這些焊盤(pán)上的焊球。然后將芯片翻轉過(guò)來(lái)，使焊料與芯片封裝上的相應焊盤(pán)對齊（或者在我們的例子中是另一個(gè)芯片上）。然后焊料熔化，將芯片粘合到封裝上。

當試圖將激光芯片鍵合到硅光子芯片時(shí)，這個(gè)概念是相似的，但更為嚴格。邊緣發(fā)射激光器在晶圓上進(jìn)行全面加工，切割成單獨的芯片，并由供應商進(jìn)行測試。然后使用高精度版本的倒裝芯片工藝將單個(gè)激光芯片鍵合到目標硅光子晶圓上，一次一個(gè)激光芯片。困難的部分是確保邊緣發(fā)射的激光輸出與硅光子芯片的輸入對齊。我們使用稱(chēng)為對接耦合的工藝，其中激光器放置在硅的凹陷部分，因此它橫向鄰接硅光子波導的蝕刻面。

為此，倒裝芯片工藝需要在所有三個(gè)維度上都達到亞微米級的對準精度。在過(guò)去的幾年里，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出專(zhuān)門(mén)的倒裝芯片焊接工具來(lái)完成這項工作，我們和我們的合作者和開(kāi)發(fā)伙伴已經(jīng)使用它們來(lái)優(yōu)化組裝過(guò)程。利用使用機器視覺(jué)來(lái)保持精確對準的先進(jìn)拾取和放置工具，我們可以在短短幾十秒內放置和鍵合精度優(yōu)于 500 納米的激光設備。

2021 年，我們還建立了晶圓級硅光子工藝，以提高這一性能。它將機械對準基座和更精確蝕刻的對接耦合接口添加到硅芯片上，以實(shí)現優(yōu)于幾百納米的垂直對準。使用這些技術(shù)，我們在 300 毫米硅光子晶圓上組裝了某些激光設備。我們很高興地看到，來(lái)自每個(gè)設備的 50 毫瓦激光中有多達 80% 被耦合到與其相連的硅光子芯片中。在最壞的情況下，整個(gè)晶圓上的耦合度仍然在 60% 左右。這些結果可與主動(dòng)對準實(shí)現的耦合效率相媲美，主動(dòng)對準是一個(gè)更耗時(shí)的過(guò)程，其中來(lái)自激光器本身的光用于引導對準過(guò)程。

倒裝芯片方法的一個(gè)顯著(zhù)優(yōu)勢是配對芯片類(lèi)型的簡(jiǎn)單性和靈活性。因為它們可以在現有的生產(chǎn)線(xiàn)上生產(chǎn)，附加工程有限，所以它們每個(gè)都可以從多個(gè)制造商處采購。而且，隨著(zhù)市場(chǎng)需求的增加，越來(lái)越多的供應商提供倒裝芯片組裝服務(wù)。另一方面，該過(guò)程的順序性質(zhì)——每個(gè)激光芯片都需要單獨拾取和放置——是一個(gè)重大缺陷。從長(cháng)遠來(lái)看，它限制了制造吞吐量和大幅降低成本的潛力。這對于成本敏感的應用（如消費產(chǎn)品）以及每個(gè)芯片需要多個(gè)激光設備的系統尤為重要。

使用倒裝芯片方法的高精度版本將激光芯片連接到硅光子芯片上。

微轉印

微轉移印刷消除了對接耦合的一些對齊困難，同時(shí)還加快了組裝過(guò)程。與倒裝芯片工藝一樣，發(fā)光器件生長(cháng)在 III-V 族半導體基板上。但有一個(gè)很大的不同：III-V 晶圓沒(méi)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(guò)小系繩連接到源晶圓。然后用類(lèi)似墨水印章的工具將這些設備一起撿起來(lái)，打破系繩。然后，印模將激光器與硅光子晶圓上的波導結構對齊，并將它們粘合在那里。

倒裝芯片技術(shù)使用金屬焊料凸點(diǎn)，而微轉移印刷使用粘合劑，甚至可以?xún)H靠分子鍵合，這依賴(lài)于兩個(gè)平面之間的范德華力，將激光固定到位。此外，硅光子芯片中光源和波導之間的光學(xué)耦合通過(guò)不同的過(guò)程發(fā)生。該過(guò)程稱(chēng)為漸逝耦合，將激光器放置在硅波導結構的頂部，然后光“滲入”其中。雖然以這種方式傳輸的功率較少，但漸逝耦合比對接耦合要求的對準精度低。

具有更大的對齊容差使該技術(shù)能夠一次傳輸數千個(gè)設備。因此，原則上它應該允許比倒裝芯片處理更高的吞吐量，并且是要求在每單位面積上集成大量 III-V 族組件的應用的理想選擇。

盡管轉印是制造 microLED 顯示器的既定工藝，例如許多增強現實(shí)和虛擬現實(shí)產(chǎn)品所需的顯示器，但尚未準備好打印激光或光學(xué)放大器。但我們到了那里。

去年，Imec 成功地使用轉移印刷將此類(lèi)光源連接到包含硅光子波導、高速光調制器和光電探測器的晶圓上。我們還印刷了可調諧超過(guò) 45 nm 波長(cháng)的紅外激光器和適用于基于芯片的光譜系統的高脈沖能量設備。這些只是為了演示目的而制作的，但我們沒(méi)有看到這種方法無(wú)法以高產(chǎn)量取得良好結果的根本原因。因此，我們預計該技術(shù)將在幾年內準備好部署到生產(chǎn)線(xiàn)上。

在微轉移印刷中，激光芯片 [紅色矩形，左] 在其自己的晶圓上固定到位。郵票 [淺灰色] 一次拾取多個(gè)激光器并將它們放置在硅光子晶圓上。

晶圓鍵合

將發(fā)光元件與其硅光子學(xué)伙伴精確對齊是我們討論的兩種技術(shù)的關(guān)鍵步驟。但是有一種技術(shù)，一種稱(chēng)為 III-V 族硅晶圓鍵合的技術(shù)，找到了解決方法。該方案不是將已構建的激光器（或其他發(fā)光組件）轉移到經(jīng)過(guò)處理的硅晶片，而是將 III-V 族半導體的空白芯片（甚至小晶片）粘合到該硅晶片。然后，您可以在已有相應硅波導的地方構建所需的激光設備。

在轉移的材料中，我們只對結晶 III-V 材料的薄層感興趣，稱(chēng)為外延層。因此，在與硅晶圓鍵合后，其余材料將被去除?？梢允褂脴藴使饪毯途A級工藝在與底層硅波導對齊的外延層中制造激光二極管。然后蝕刻掉任何不需要的 III-V 材料。

英特爾的工程師在過(guò)去十年中開(kāi)發(fā)了這種方法，并于 2016 年推出了第一個(gè)用它構建的商業(yè)產(chǎn)品——光收發(fā)器。這種方法允許高吞吐量集成，因為它可以同時(shí)并行處理許多設備。與轉印一樣，它在 III-V 族和硅材料之間使用漸逝耦合，從而產(chǎn)生高效的光學(xué)界面。

III-V 族與硅晶圓鍵合的一個(gè)缺點(diǎn)是您需要大量投資來(lái)建立一條生產(chǎn)線(xiàn)，該生產(chǎn)線(xiàn)可以使用用于制造 200 毫米或 300 毫米的硅晶圓的工具來(lái)處理 III-V 族工藝步驟毫米直徑。這種工具與激光二極管鑄造廠(chǎng)中使用的工具非常不同，后者的典型晶圓直徑要小得多。

在芯片到晶圓鍵合中，III-V 族半導體 [粉紅色] 的空白片被鍵合到已經(jīng)處理過(guò)的硅光子晶圓上。III-V 族材料在硅波導上方加工成激光器。然后蝕刻掉其余的 III-V 材料。

單片集成

將所涉及的兩種不同材料結合起來(lái)的理想方法是直接在硅上生長(cháng) III-V 族半導體，這種方法稱(chēng)為單片集成。這將消除任何粘合或對齊的需要，并且將減少浪費的 III-V 材料的數量。但要使這種策略切實(shí)可行，必須克服許多技術(shù)障礙。因此，Imec 和其他地方繼續朝著(zhù)這個(gè)目標進(jìn)行研究。

該研究的主要目的是創(chuàng )造具有低缺陷密度的結晶 III-V 材料。根本問(wèn)題在于，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(guò) 4%。

由于這種晶格失配，在硅上生長(cháng)的每個(gè) III-V 層都會(huì )產(chǎn)生應變。僅添加幾納米的 III-V 薄膜后，晶體中就會(huì )出現缺陷，從而釋放累積的應變。這些“失配”缺陷沿著(zhù)穿透整個(gè) III-V 層的線(xiàn)形成。這些缺陷包括開(kāi)路晶體鍵線(xiàn)和局部晶體畸變，這兩者都會(huì )嚴重降低光電器件的性能。

為防止這些缺陷破壞激光器，必須將它們限制在遠離設備的地方。這樣做通常涉及鋪設一層幾微米厚的 III-V 材料，在下面的失配缺陷和上面的無(wú)應變區域之間形成一個(gè)巨大的緩沖區，激光設備可以在那里制造。加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校的研究人員報告了使用這種方法取得的出色進(jìn)展，展示了具有可靠壽命的高效砷化鎵基量子點(diǎn)激光器。

然而，這些實(shí)驗只是在小規模上進(jìn)行的。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。添加厚緩沖層可能會(huì )導致各種機械問(wèn)題，例如 III-V 薄膜內部出現裂紋或晶圓彎曲。此外，由于有源器件位于如此厚的緩沖層之上，因此很難將光耦合到硅基板中的下方波導。

為了規避這些挑戰，Imec 引入了一種稱(chēng)為納米脊工程或 NRE 的單片集成新方法。該技術(shù)旨在迫使缺陷在如此有限的空間中形成，以便可以在與底層硅的界面上方略高于 100 nm 處構建工作設備。

NRE 使用一種稱(chēng)為縱橫比陷印的現象將缺陷限制在小區域。它首先在二氧化硅絕緣體層內形成又窄又深的溝槽。在溝槽底部，也就是絕緣體與硅接觸的地方，一條凹槽切入硅中，使空隙的橫截面呈箭頭形。然后在溝槽內生長(cháng)一層薄薄的 III-V 族晶體，應變引起的失配缺陷被有效地捕獲在溝槽側壁，防止這些缺陷線(xiàn)穿透得更遠。填充溝槽后，繼續生長(cháng)以在溝槽上方形成更大的 III-V 族材料納米脊。該納米級脊中的材料完全沒(méi)有缺陷，因此可用于激光設備。

大多數關(guān)于單片集成的研究都是在改進(jìn)單個(gè)設備和確定其故障原因的層面上進(jìn)行的。但 Imec 已經(jīng)在展示與該技術(shù)的完整晶圓級集成方面取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，在 300 毫米硅試產(chǎn)線(xiàn)上生產(chǎn)了高質(zhì)量的基于 GaAs 的光電二極管。下一個(gè)里程碑將是基于與光電二極管類(lèi)似設計的電泵浦激光器的演示。Nanoridge 工程仍在實(shí)驗室中進(jìn)行開(kāi)發(fā)，但如果成功，無(wú)疑將對這個(gè)行業(yè)產(chǎn)生巨大影響。

Nanoridge engineering 在硅中特殊形狀的溝槽中生長(cháng)適用于激光的半導體。溝槽的形狀將缺陷置于激光器構造區域的下方。

硅激光器的前景

在接下來(lái)的幾年里，這里討論的每一種方法都肯定會(huì )取得進(jìn)一步進(jìn)展。我們預計它們最終將共存以滿(mǎn)足不同的應用程序需求和用例。

相對適中的安裝成本和倒裝芯片激光器組件的準備就緒將使近期產(chǎn)品成為可能，并且對于每個(gè)光子 IC 只需要一個(gè)或幾個(gè)激光器的應用特別有吸引力，例如數據中心使用的光收發(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(cháng)或不常見(jiàn)的光子技術(shù)的應用具有吸引力。

對于每個(gè)光子 IC 需要多個(gè)激光器或放大器的大批量應用，轉移印刷和芯片到晶圓鍵合提供更高的制造吞吐量、更小的耦合損耗，并有可能進(jìn)一步降低成本。因為這里的設置成本要高得多，所以適合這些技術(shù)的應用程序必須有很大的市場(chǎng)。

最后，硅上的直接 III-V 族外延，例如 NRE 技術(shù)，代表了激光集成的最高水平。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(jìn)一步進(jìn)展，才能釋放其潛力。