硅基光電異質集成的發(fā)展與思考

王子昊 王 霆 張建軍

1 中國科學院物理研究所 北京 100190

2 松山湖材料實驗室 東莞 523808

1 硅基光電異質集成是光電集成芯片的未來

21 世紀是大數(shù)據(jù)、云計算時代。半個世紀以來，微電子技術大致遵循著“摩爾定律”快速發(fā)展，人們對信息傳輸和處理的要求越來越高。隨著信息技術的不斷拓寬和深入，芯片的制成工藝已減小到 10 nm 以下，但由此帶來的串擾、發(fā)熱和高功耗問題成為微電子技術難以解決的瓶頸。后摩爾時代的微電子芯片制程技術路線可分為繼續(xù)優(yōu)化互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝的“延續(xù)摩爾”（more Moore）路線、利用先進封裝技術實現(xiàn)系統(tǒng)級封裝的“擴展摩爾”（more than Moore）路線和通過新材料新器件實現(xiàn)的“超越摩爾”（beyond CMOS）路線。相比于“延續(xù)摩爾”路線對于半導體先進設備的依賴和巨大投入，通過光電異質集成技術實現(xiàn)芯片間及芯片內(nèi)光互聯(lián)可有效解決微電子芯片目前金屬互聯(lián)的帶寬、功耗和延時等問題，是對現(xiàn)有微電子芯片的重要拓展。同時，通過光電異質集成多種材料也可制作新一代信息器件（如光量子集成芯片），是信息產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)擴展摩爾和超越摩爾技術路線的重要領域。

硅基光電子集成技術（簡稱“硅光技術”），通過傳統(tǒng)微電子 CMOS 工藝實現(xiàn)光電子器件和微電子器件的單片集成，是研究和開發(fā)以光子和電子為信息載體的硅基大規(guī)模集成技術[1]。圖 1 為硅基光電子集成芯片的概念圖，該芯片由光源、調制器、光波導、探測器及電路芯片構成，由激光器產(chǎn)生光信號并通過調制器和探測器實現(xiàn)高速電信號與光信號的收發(fā)。目前，硅光技術主要采用基于 SOI（絕緣襯底上硅）襯底的制造平臺，已能實現(xiàn)探測器與調制器的單片集成。然而硅基光電子集成芯片的性能受限于硅材料本身的光電性能，仍存在無法高密度集成光源、集成低損耗高速光電調制器等問題。因此，利用不同種材料發(fā)揮其各自光電特性優(yōu)勢的硅基光電異質集成技術近年來發(fā)展迅速。硅基光電異質集成技術不僅擁有硅材料可大規(guī)模 CMOS 制造的特點，同時充分發(fā)揮不同材料的優(yōu)異光電特性，可實現(xiàn)傳統(tǒng)硅光技術無法媲美的器件指標，進而實現(xiàn)真正意義上的硅基光電子單片集成系統(tǒng)。本文將對該領域國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀做簡要介紹，同時對未來該方向的發(fā)展進行展望。

圖1 硅基光電子集成芯片概念圖① http://www.iccsz.com/site/cn/News/2020/08/17/20200817005009277916.htm.Figure 1 Concept diagram of silicon-based optoelectronic integrated chip① http://www.iccsz.com/site/cn/News/2020/08/17/20200817005009277916.htm.

2 硅基光電異質集成技術路線及發(fā)展

2.1 硅基光電異質集成技術路線

相較于微電子領域集成電路的飛速發(fā)展，光電子領域的集成化道路顯得阻礙重重。自從 Soref[2]20 世紀80年代末期最早提出硅光技術以來，雖然無論在器件性能、集成度還是應用方面都有了眾多突破性進展，但至今仍有很多主流光模塊廠商依然采用光電器件分立封裝的形式，主要原因是受限于硅材料本身的光電性質。例如，硅材料間接帶隙的能帶結構使得它無法實現(xiàn)高效率的片上光源，線性光電效應（Pockels 效應）限制了調制器的速度。圖 2 列舉了目前各種材料體系所對應的優(yōu)勢光電器件，如 Ⅲ-Ⅴ族材料制作的激光器光源、單光子源、調制器，Ge（鍺）材料制作的探測器，LiNbO3（鈮酸鋰）材料調制器，磁光材料 YIG（釔鐵石榴石）光隔離器，二維材料調制器，SiN（氮化硅）材料制作的寬譜低損耗光波導等[3]。其中，對于光通信應用，Ⅲ-Ⅴ族材料制作的光源、LiNbO3制作的調制器和 YIG 材料制作的隔離器相比于硅基器件具有無法比擬的優(yōu)勢。因此，實現(xiàn)真正意義上大規(guī)模光電集成芯片的產(chǎn)業(yè)應用，需要依托硅材料與不同種類光電材料的異質集成，以充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)異特性。

圖2 可以用于硅基光電異質集成的材料體系及光電器件Figure 2 Schematic overview of multiple material systems and devices for silicon photonics heterogeneous integration

通過多年研發(fā)努力，目前硅光領域已實現(xiàn)了多種光電器件的硅基集成，如各種硅基無源器件（波導、合分波器）、鍺硅探測器、硅調制器，在一定程度上可以滿足目前 400 Gbps 以下速率光模塊的應用[4]。但是，光源技術仍是硅光芯片無法攻克的技術難題，必須采用異質集成。因此，本文以光源為例展開對異質集成各技術路線的討論。圖 3 展示了目前硅基光電異質集成領域的多種技術路線，從左到右的技術方案集成度由低到高，技術成熟度由高到低。① 片間混合集成技術。其與目前產(chǎn)業(yè)化應用最廣泛的透鏡耦合最為接近，但本質上還屬于微封裝技術，在多個光源耦合的應用中需要耗費大量時間在精密耦合對準工藝上，同時無法進行大規(guī)模光源的集成；目前有部分光模塊公司采取該方案制作硅光產(chǎn)品。② 片上倒裝焊技術。通過將制備好的激光器芯片進行倒裝焊集成到硅光芯片上，解決了可以集成光源的問題。但硅光芯片需要刻蝕開槽精確控制激光器耦合高度，同時仍需要解決高精度耦合問題，因此產(chǎn)業(yè)中該方案也沒有得到應用。③ 片上鍵合異質集成技術。最早由美國加州大學圣芭芭拉分校 John Bowers 課題組提出，通過鍵合 Ⅲ-Ⅴ族外延材料到已加工好的硅光晶圓上然后通過后工藝制作 Ⅲ-Ⅴ族有源器件。該技術可實現(xiàn) Ⅲ-Ⅴ族材料與硅光芯片的大規(guī)模集成，但開發(fā)難度大，產(chǎn)品良率難以控制；目前只有美國 Intel 公司實現(xiàn)了該技術路線的量產(chǎn)。④ 片上直接生長異質集成技術。通過在已制作好的硅光晶圓上開槽，利用選區(qū)外延的方法生長Ⅲ-Ⅴ族材料，隨后通過Ⅲ-Ⅴ族工藝制造光源。該種方法類似鍵合異質集成的流片過程，但不需要復雜的芯片到晶圓鍵合（die to wafer bonding）工藝，是最接近于 CMOS 集成工藝的異質集成技術。該技術雖然適合晶圓級大規(guī)模量產(chǎn)工藝，但對硅基 Ⅲ-Ⅴ族外延技術有著很高的材料生長要求，需要解決一系列諸如硅基異質材料外延、片上光源耦合及片上光源老化等難題；目前該技術仍處于學術研究階段。

圖3 硅基光電異質集成技術路線Figure 3 Silicon photonics heterogeneous integration platforms

2.2 國際研發(fā)現(xiàn)狀

近 10 年來，硅基光電子集成的關鍵材料和器件研究引起了科學界和工業(yè)界的廣泛關注，僅美國 Intel 公司對硅基光電子的研發(fā)投入就高達數(shù)十億美元。美國國防部高級研究計劃局（DARPA）設立“用于通用微尺度光學系統(tǒng)的激光器”（LUMOS）項目，投入 1 900 萬美元進行硅基異質材料集成光源的研究。日本能源與工業(yè)技術發(fā)展組織投入 22.5 億日元用于硅基高亮度、高效率激光器的開發(fā)。歐盟“地平線 2020”投入 262 萬歐元用于異質硅基光源的開發(fā)。在政府的一系列支持推動下，光電異質集成技術飛速發(fā)展，在學術和產(chǎn)業(yè)領域取得了一系列技術突破。

（1）學術研究方面。通過鍵合異質集成技術，以美國加州大學和比利時根特大學為代表的研究機構利用異質集成量子阱材料開發(fā)了硅基激光器[5,6]；美國哈佛大學通過 LiNbO3硅基鍵合實現(xiàn)高速調制器[7]；美國惠普公司通過量子點材料鍵合實現(xiàn)了硅基激光器、微環(huán)調制器、探測器[8]；美國加州大學和丹麥科技大學通過鍵合 AlGaAs 材料實現(xiàn)光頻梳[9,10]；瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）、美國加州理工大學聯(lián)合加州大學通過 SiN 平臺開發(fā)了各種光頻梳器件[11]；日本 NTT 公司通過鍵合 InP 材料到 SiC 襯底，并利用后期生長異質集成的薄膜激光器實現(xiàn)了直調帶寬 108 GHz 世界紀錄的激光器[12]。直接生長異質集成的研究近年來主要有英國倫敦大學學院、美國加州大學等利用硅基直接外延量子點技術開發(fā)的一系列硅基光源，如硅基量子點微環(huán)激光器、鎖模激光器、DFB 激光器、可調激光器等[13,14]。

（2）產(chǎn)業(yè)方面。美國 Luxtera 公司、英國 Rockley Photonics 公司、美國 Skorpio 公司分別采用片間混合集成、片上倒裝焊混合集成和片上異質集成技術實現(xiàn)了產(chǎn)品的展示。美國 Intel 公司于 2016 年利用片上鍵合異質集成技術已開發(fā)出 100 Gbps 4 通道硅光模塊，至 2021 年已實現(xiàn) 500 萬顆以上模塊的銷售，是目前世界上利用異質集成技術實現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)的唯一一家公司。同時，對于直接生長異質集成技術，美國 Intel 公司也正在布局硅基量子點激光器技術。除此之外，各大半導體代工廠如美國格芯（Global Foundries）、瑞士意法半導體、以色列 Tower Jazz，以及我國臺積電等公司均有硅光產(chǎn)線，其中格芯公司展示了使用片上倒裝焊的混合集成方案，Tower Jazz 公司通過與直接生長量子點激光器的美國 Quintessent 公司合作，計劃采用直接生長異質集成方案進行硅光工藝開發(fā)。

2.3 我國研發(fā)進展

近年來，在“863 計劃”“973 計劃”和國家自然科學基金等支持下，我國也加大了硅基異質集成方向的研究力度，在硅基關鍵光電子集成器件等方面取得了一系列重要成果，調制、探測、復用與解復用等分立器件已經(jīng)研制成功，異質集成襯底、光源、高速光電調制器等方向取得了一系列重要進展。

（1）學術研究方面。① 片上直接生長技術路線。中國科學院物理研究所通過硅圖形化襯底上的同質加異質外延生長有效解決了硅上異質外延生長Ⅲ-Ⅴ族材料的難題，實現(xiàn)了高質量的硅基片上光源[15-17]。② 片上鍵合異質集成技術路線。中國科學院上海微系統(tǒng)研究所通過離子注入剝離技術研發(fā)出多種材料硅基異質集成襯底，包括 SiCOI、LNOI、Ⅲ-ⅤOI，為多種材料硅基光電異質集成提供了材料平臺②歐欣. XOI異質集成材料研究. 中國電子學會論文集, 2017.；北京大學、中國科學院半導體研究所等單位通過導電透明電極方案開發(fā)出 mW 量級硅基激光器[18]。③ 片間混合集成技術路線。上海交通大學、清華大學、國家光電子創(chuàng)新中心開發(fā)出窄線寬可調激光器[19-21]。④ 新型材料硅基光電異質集成領域。中山大學、華中科技大學、浙江大學等單位通過利用硅基薄膜鈮酸鋰開發(fā)出一系列高性能光電調制器、偏振控制器等器件[22-24]；北京大學、浙江大學、南京大學等單位利用稀土元素摻雜的方法進行硅基發(fā)光的嘗試[25,26]；中國科學院半導體研究所、廈門大學利用硅基異質生長鍺硅材料進行了光源器件的嘗試[27]；浙江大學在硅基硫系化合物、二維材料集成光電領域取得了一系列器件成果，將硅基光電器件延伸到中紅外波段[28,29]。

（2）產(chǎn)業(yè)方面。國內(nèi)光模塊公司大多還采用傳統(tǒng)的透鏡封裝方案，目前尚未有公司在量產(chǎn)產(chǎn)品上使用異質集成解決方案。相比國外各大公司、代工廠的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，我國在硅基異質集成方面產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為緩慢，尚未形成一定規(guī)模的公司基于異質集成技術開發(fā)產(chǎn)品并批量出貨。① 異質集成材料。濟南晶正公司制造的硅基 LiNbO3材料一枝獨秀，是目前國內(nèi)外幾乎所有薄膜 LiNbO3調制器的材料供應商。② 異質集成材料器件。有一批從學校和科研院所孵化的創(chuàng)業(yè)公司浮現(xiàn)，如制作薄膜 LiNbO3調制器的江蘇鈮奧光電公司、生產(chǎn)硅基異質外延材料和光源的東莞思異半導體公司等。③ 異質集成模塊。蘇州易銳光電公司通過片間混合集成方式實現(xiàn)了密波 10 通道 100 Gbps 模塊的小批量出貨；青島海信寬帶公司利用鍵合集成技術做出過產(chǎn)品開發(fā)嘗試，但目前尚無產(chǎn)品問世。

（3）硅光芯片制成平臺。近年來，我國國家層面也加大了投入，逐漸與國外先進的硅光科研平臺，如比利時微電子研究中心（IMEC）、新加坡科學技術研究院微電子所（IME）等工藝線接軌。重慶聯(lián)合微電子中心、中國科學院微電子研究所、上海微技術工業(yè)研究院等單位已建成了各具特色的硅光工藝線；同時，中國科學院微電子研究所、重慶聯(lián)合微電子中心還開發(fā)了用于設計的光電仿真軟件，從軟件設計端為未來做好布局。但是，相比國外，我國目前國內(nèi)光模塊廠商仍通過海外代工廠進行硅光芯片的流片。在異質集成方面，重慶聯(lián)合微電子中心已對外開放 SiN 流片；而對于光源的異質集成方案，目前國內(nèi)尚無廠家開放服務。

3 硅基光電異質集成技術發(fā)展趨勢和思考

3.1 多種光電材料與硅基異質集成

硅基光電異質集成從材料上正在從Ⅲ-Ⅴ族材料與硅的異質集成逐漸發(fā)展為多種材料與硅的異質集成，如：SiN、LiNbO3等材料也逐漸成為硅基異質集成的主要材料。為了充分利用不同材料的光電特性，甚至出現(xiàn)了多種材料同時異質集成在硅基襯底上的光電芯片，如：InP 量子阱材料與 SiN 和 SOI 間的多種材料異質集成所制造的超窄線寬硅基激光器，以及利用該平臺實現(xiàn)的異質集成硅基光孤子頻梳。隨著鍵合技術平臺的逐漸成熟，利用不同材料優(yōu)勢通過多種材料與硅基進行異質集成將成為未來發(fā)展的主流方向。

3.2 硅基光電異質集成技術路線向更高集成度發(fā)展

在異質集成技術路線上，硅基光電異質集成正從片間、片上混合集成走向片上鍵合異質集成和直接生長異質集成。表 1 從集成密度、生產(chǎn)效率和技術成熟度 3 個方面分析了上述 4 種異質集成技術的優(yōu)劣。① 片間混合集成。局限于兩顆芯片間的混合集成，無法實現(xiàn)晶圓級生產(chǎn)，集成度和生產(chǎn)效率均受到了限制。② 片上倒裝焊混合集成?？梢詫崿F(xiàn)晶圓級集成工藝，但需要對用于異質集成的激光器和硅光晶圓器件進行特殊設計，如在硅光晶圓上制作用于高度對準的特殊結構和波導耦合結構、激光器的平坦化工藝用于倒裝等，這些特殊工藝均會對最終產(chǎn)品良率產(chǎn)生影響，是該技術路線發(fā)展的難點。另外，片間和片上倒裝焊混合集成技術路線均依賴于高精度封裝設備，其對于設備機械對準精度要求達到 0.5 μm 量級，這導致該技術路線在高精密封裝對準環(huán)節(jié)的耗時增加，具有較低的生產(chǎn)效率。目前，光電異質集成的商業(yè)化應用仍停留在片間、片上混合集成方案。片上異質集成方案具有高集成度、高生產(chǎn)效率的優(yōu)勢，是未來光電異質集成的發(fā)展方向。然而，無論是鍵合異質集成還是直接外延生長異質集成，均需要實現(xiàn)傳統(tǒng) CMOS 工藝線與異質材料工藝線的有機結合。③ 片上鍵合異質集成。目前，只有美國 Intel 公司通過使用其原有的 CMOS 產(chǎn)線和Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體產(chǎn)線實現(xiàn)了片上鍵合異質集成技術路線的產(chǎn)品化。雖然目前只有該公司利用該技術路線實現(xiàn)量產(chǎn)，但已有多家公司（如美國惠普、美國 Skorpios 等公司）布局該方案，有望成為短期內(nèi)高密度、多種材料異質集成的主流技術路線。④ 片上直接外延異質集成。極具發(fā)展?jié)摿?，若能突破異質集成光耦合難題和異質選區(qū)外延生長難題，其將成為最接近傳統(tǒng) CMOS 工藝的異質集成技術路線，是未來硅基光電異質集成技術理想的解決方案。但仍需要科研探索進一步提高其技術成熟度，因而其是硅基光電異質集成需要加大研究投入的重點方向。

表1 硅基光電異質集成技術路線對比Table 1 Silicon photonics heterogeneous integration platform comparison

3.3 硅基異質集成技術逐步從研發(fā)走向應用

隨著片間光互聯(lián)和共封裝技術（co-package）等技術節(jié)點的到來，在后 800 Gbps 時代硅基光電異質集成技術將成為光電子集成領域的重要技術路線。未來大帶寬、低功耗、集成化的數(shù)據(jù)互聯(lián)需求使得現(xiàn)有模塊化解決方案無法支撐，因此將促使光芯片向集成化發(fā)展，進而推動硅基光電異質集成芯片的產(chǎn)業(yè)化進程。從應用發(fā)展上，隨著多種材料體系與硅基襯底的異質集成，應用也從傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信、電信光互聯(lián)向多個領域拓展。例如，生物傳感、激光雷達、光計算、光量子等方向均出現(xiàn)了基于硅基異質集成技術的解決方案。

目前，國內(nèi)從事硅基光電異質集成技術的企業(yè)還比較少，主要原因是技術門檻很高，傳統(tǒng)光通信企業(yè)普遍對這一新興技術路線持觀望態(tài)度。另外，該技術的商業(yè)化投入大，需要設計建設兼容異質材料與傳統(tǒng)硅基 CMOS 晶圓線，需要極高的資金投入和極大的市場需求作為支撐?，F(xiàn)有的光通訊市場需求很難支撐起一條商用 12 寸硅光產(chǎn)線與化合物半導體進行硅基光電異質集成，因此我國乃至世界很少有公司進行該技術的產(chǎn)業(yè)化。美國 Intel 公司利用其自身的傳統(tǒng) CMOS 產(chǎn)線降低生產(chǎn)成本，通過多年的技術開發(fā)，是目前唯一一家利用硅基光電異質集成技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心 100 Gbps 光模塊大批量出貨的公司；其開發(fā)該技術的真正目的是為擴展摩爾和超越摩爾技術路線進行技術儲備，以實現(xiàn)其處理器的片上光互聯(lián)，達到未來光電集成芯片的技術引領。美國蘋果公司預計在其下一代智能手表中采用硅光異質集成技術，有望為硅光異質集成拓展到消費電子市場。鑒于國際硅基光電異質集成技術研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化態(tài)勢，我國也迫切需要在該領域加速從研發(fā)走向應用與產(chǎn)業(yè)化。

總之，從可以預見的光通信應用到消費類傳感應用及未來的光計算、光量子應用來看，硅基光電異質集成技術的市場需求才剛剛起步，未來有著廣闊的發(fā)展空間。然而，目前國內(nèi)在硅光產(chǎn)業(yè)領域只有深圳華為、武漢光迅和南京希烽光電等少數(shù)公司在積極研究，暫時還未啟動硅基光電異質集成的產(chǎn)業(yè)化進程。雖然我國在硅基異質集成的某些細分領域處于國際先進水平，但在硅基光電異質集成的產(chǎn)業(yè)化方面還比較薄弱，建議建設硅基光電異質集成研究中心，利用國家投入的多條硅光研發(fā)產(chǎn)線與硅基光電異質集成中心及各領域有特色的科研院所共同合作，積極探索硅基光電異質集成的 CMOS 兼容半導體加工模式，加快產(chǎn)業(yè)化進程。

應該說相比于微電子產(chǎn)業(yè)，我國在光電子領域的某些技術儲備已達到世界先進水平，是一個可以“并跑”甚至“領跑”的芯片領域，機遇十分難得。硅基光電異質集成技術作為未來光電子發(fā)展的重要技術需要國家的大力支持，以及該領域的產(chǎn)、學、研三者的緊密結合，以推動我國在未來集成光電子領域占據(jù)世界領先地位。