异质集成技术：引领光电芯片领域，超越光通信应用的广阔新境界

  摘要

  光电芯片最初主要为电信通信行业开发，但其应用逐步扩展到光谱、增强现实、量子技术等新兴领域。这些应用覆盖从紫外线到可见光再到红外线的广泛波长范围，需要研发新的低损耗波导平台材料。本文回顾了芯片上发光技术，异质集成III-V增益材料被定位为最可行的方法，可以实现复杂的单片光子系统解决方案，具有高性能和高良率。

  简介

  30多年来，光子集成电路的研发重点放在满足数据和电信通信需求，针对1310nm和1550nm波长进行优化，因为这是硅光纤损耗最小的波长。但是，许多新兴应用需要在其他波长工作，因此需要PIC的波长覆盖范围从紫外线扩展到红外线及介于之间的可见光谱。像增强/虚拟现实、量子计算、光谱和生物传感、导航系统、射频光子技术和光子原子钟等新兴应用都有不同需求，推动着对宽带PIC芯片的研发。表1总结了一些关键指标。例如，基于离子/原子捕获的量子技术或操纵量子纠缠光子技术，工作波长取决于选定的离子/原子。扩大量子计算机规模极大地促进光电芯片技术发展。光谱传感器需要宽带可调谐光源或光频梳来通过分子的光学谐振识别目标分子。

  为解决这些应用需求，需要研发：

  · 覆盖全部波长范围(从紫外线到红外线)的无源波导平台

  · 整个波长范围内的芯片上发光技术

  · 将有源光电组件(如光学增益器)与无源波导集成在一起的技术，实现系统级光电芯片解决方案

  本文回顾了无源波导的前景材料体系，通过直接激光发射或频率转换跨越可见光波长的方法，以及集成III-V增益材料的方法实现了完整的光子集成。评估的技术包括异质集成、光子线键合(photonic wire bonding)、转印和混合组装(hybrid assembly)。其中，异质集成提供最佳性能、可靠性和商业化可行性，用于复杂集成光子系统。

  表1总结新兴市场垂直领域的一些应用驱动因素和规范 [1]

  无源波导平台

  用于无源波导的材料平台选择对实现所需波长范围内的低损耗光传播非常重要。图1介绍各种材料体系与目标应用/波长和可用的光谱带的匹配情况。

  由于具有超低损耗(<0.1 dB/m)、400nm到>2μm波长范围宽带透明和与CMOS工艺兼容(可利用硅设备生态系统)，氮化硅(SiN) 已成为众多应用首选的波导材料。基于超低损耗SiN波导的芯片实现了III-V微型激光器和光频梳高效运行。SiN的χ(2)和χ(3)非线性效应也实现频率生成。SiN折射率不易受制程变异影响。300mm晶圆级可以实现异常高均匀性和良率。SiN沉积简单，性能卓越，与电子集成兼容，成本效益最佳，适合大规模商业化应用。

图1显示无源波导平台可以覆盖紫外到红外广泛波长范围。增益材料也覆盖广范围波长。

已开发出三个关键通信波长范围，分别是850nm、1310nm 和 1550nm。

但是跨行业的许多新兴应用需要紫外到红外范围的集成光子芯片。

未来系统需要覆盖从紫外到红外的宽波长范围的PIC。

图2. SiN以最佳性能提供芯片内传输，在1550nm波长下具有约0.1dB/m的损耗，950nm波长下小于1dB/m的损耗，可

在(1)200mm或(4)300mm晶圆上大规模生产制造。进一步降低损耗可能会增加与有源元件的共集成复杂性。

  氧化钽(Ta2O5) 由于比SiN的光热系数更低而受关注，是另一种波导材料体系。这有助于最大限度减少集成激光器中的温度折射噪声。Ta2O5高折射率对比使非线性光学器件可以实现更小的体积。Ta2O5微谐振器已经展示出高效的光频梳生成。从理论上讲，Ta2O5的紫外线透明度可达300nm，适合于可见光/紫外应用。但是，Ta2O5的光学损耗远高于创记录的低损耗SiN波导。Ta2O5的低沉积温度有助于与其他光子组件的集成，这些组件具有受限的温度预算。

  铌酸锂(LiNbO3)在可见光到中红外范围透明。由于强大的电光、声光、非线性效应和光弹性效应，LiNbO3实现高性能集成光调制器和高效波长转换。但是，与标准微加工工艺的兼容性问题、铌酸锂肖特基结构晶圆的高成本、尤其是短波长下的光功率处理问题以及温度敏感性问题仍然存在。尽管如此，LiNbO3集成光子芯片独特功能仍适用于经典光子和量子光子特殊应用。

  其他材料平台如氮化铝(AlN)或氧化铝(Al2O3)的工作波长更短，可延伸至300nm以下的紫外线。总体来说各材料都有优缺点，异质集成可以根据需要，将各种无源波导与相应有源光电组件组合在一起。

  片上光源

  方法有两种：

  直接发射：这是特定波长激光器制作首选方法，使用 GaN、GaAs、InP等材料。但是，在绿黄色范围(535-630 nm)内无法直接实现激光发射。这一范围仍在研究如何使用LED或光泵浦来填补。

  频率转换：这是在可见光和近红外波段生成光的另一种方式，使用频率倍增、三倍增或光参量振荡等非线性过程。这些方法需要良好的相位匹配，并对制程公差敏感，可能限制可扩展性和良率。目前这是使用PIC發出绿黄色范围的光的唯一途径。

  增益集成策略

  无源波导和波长转换是重要组件，但半导体光放大器和激光等有源光电组件对完整光子系统级芯片至关重要。 将这些III-V器件与无源波导集成，可以通过不同技术实现，各有利弊。

  混合组装(Hybrid integration)利用点对点组装将单独制造的光子芯片组合在一起进行封装。可以实现高性能，但是因为每个器件需要手动调整，难以实现大批量生产，限制低成本消费类应用采用。 由于集成元件的热膨胀系数不匹配，也会出现可靠性问题。

  光子线键合(photonic wire bonding)通过3D纳米打印在粘贴在共享基板上的切片组件之间创建光学桥接，以改善耦合模式重叠。但是，制造难度较大，尤其是短可见波长。后期加工组装也为复杂多芯片集成带来可扩展性障碍。目前没有商业晶圆厂采用这种方法。

  转印技术使用弹性模具和表面化学修饰，将薄膜器件直接拾取打印到共用光子基板上。尽管多年研究，但从基础演示到含有光学增益或电流注入的复杂集成系统的转变尚有困难，特别是那些系统。 对薄膜III-V的依赖也限制光输出功率。与纳米线键合类似，转印技术应用仍局限在学术界，没有批量商业化采用。

  与此形成对比，异质集成已经成功地在多个技术世代用硅基光电子技术上整合了InP 激光器和放大器，这最初是在加州大学圣巴巴拉分校首创，现在已由英特尔使用互补金属氧化物半导体 (CMOS) 的晶圆厂基础设施扩展到 300mm 晶圆的批量生产。该方法将未图形化的III-V外延层键合到完成的无源波导上，然后在此基础上光刻定义III-V 器件和互连(图3)。

  这种晶圆级的工艺可以确保耦合的有源和无源组件之间实现精确对齐。III-V薄膜的厚度和外延层结构可以根据目标波长和应用进行优化。超过10μm的键合薄膜可以实现高光输出功率，同时与晶圆级自动化半导体工具保持兼容。键合前筛选空白III-V供体晶圆可以通过消除材料缺陷提高良率。晶圆级探针测试还可以确保每批组件的性能均匀性。

图3. 异质III/V材料与SiN的集成，包括GaN、GaAs(两种类型)和InP四种类型的增益材料的集成。

  这些与CMOS兼容的异质集成技术已经拓展至将高能隙材料(如GaAs 和 GaN发光器)集成到SiN波导上(图4)，可在可见光和紫外线波长提供光学增益。与此同时，由于在生物传感等应用中得到广泛商业化应用，可以进行SiN工艺的300mm晶圆厂生态系统继续扩大。同样的规模经济也促进异质集成光子与新兴市场的应用，可以降低成本。

图4. 异质集成过程首先包括在硅基底上制造如波导等被动组件。

接着，将III-V晶片键合到硅晶圆上，并通过光刻工艺将其图案化成与下方被动组件对齐的有源器件。

粗略的预键合对齐后，进行整个晶圆上的精细光刻对齐。未图案化的III-V芯片可以预先筛选以提高产量。

最终结果是一种集成了不同III-V有源器件和硅无源组件的混合晶圆。

  与转移或键合现成器件不同，异质集成通过在晶圆级上直接在划片前将光增益组件与下面的无源波导对齐来形成。这使复杂光电路实现前所未有的集成度成为可能。即使某些应用需要的特殊功能与SiN或硅基光电子工艺难以协同集成，异质集成也支持乐高式的混合匹配方法来制造精密的多芯片光子系统。将不同的有源III-V薄膜和无源波导组合在一起为系统提供广泛的灵活性，同时保持与标准光刻工艺的兼容。

  异质集成的成熟性和可靠性已通过多年技术开发、大量验证和Intel硅基光电子收发器的高容量制造而得到验证。相比学术界的替代方案如转印或光子线键合，它可以提供卓越的性能、良率和可扩展性，且成本更低。异质集成光子生态供应链已经过行业验证，是推动下一代光电芯片的领先候选，用于服务新兴近可见光和红外线应用，如增强现实、量子技术、光子原子钟和生物传感。

  可见光的挑战和技术路线图

  尽管对增强现实显示、量子密码等从紫外到红外范围内的新兴应用充满期待，但除光通信外，大多数光子市场规模仍小且分散，给可持续制造和晶圆厂基础设施带来挑战。确定更大的“杀手级”垂直目标细分市场段可以极大地激发进一步的研发与投入。成功的量产案例可以验证技术路径，为未来技术路线图提供指引。

  例如，集成有RGB可见光激光或投影仪的PIC的增强现实/虚拟现实显示可能实现数百万量产，进入消费市场。芯片级激光雷达也可为自动驾驶车辆打开巨大市场。量子加密或随机数生成产品保护新兴的区块链基础设施。光子生物传感器可以唯一检测与疾病或环境威胁相关的生物标志物。 这些任何一个领域都蕴含10亿级产品的机会，足以吸引晶圆厂投入新型集成光子组件和异质主动与无源技术的研发与产业化。

  在技术上，业界仍在继续研发外延生长技术以彻底弥补约550-590nm绿黄色范围内 III-V 激光直接发射的空白。这有望实现370-1700nm+的电泵浦激光器覆盖，一旦完全实现。具有增强温度稳定性的激光器还可以支持PIC在恶劣环境下无需制冷。

  异质集成工艺必须从850nm波长范围的电信激光器扩展至吸收所有相关III-V材料，如GaAs、GaN、InP及它们的合金，覆盖可见光和紫外线波长范围。 这包括开发适合高能隙材料的蚀刻化学品、表面钝化处理和接触金属化。叠加不同材料需要管理热膨胀失配。 但硅光子收发器已证明存在与温度预算兼容的解决方案。

  未来的异质光电芯片可能会向同封装的光电芯片演进，组合各种晶圆级集成的功能子系统，作为全面单片集成多个主动材料在共享三层无源波导衬底上的中间步骤(图5)。 新一代硅光子晶圆厂通过硅基薄膜III-V外延筛选这一前景。

图5. 集成光电芯片的发展以应对新兴应用，从(1)载体上的共封装芯片开始，到(2)异质集成，目前正在商业化应用于单一III/V增益材料

覆盖的子频段(见图1和图4)，然后是(3)多个异质芯片的共封装，最终实现(4)单芯片解决方案的完全异质集成。复杂性的增加需要更大的生产量来

证明开发成本的合理性。

  结论

  SiN无源波导实现宽带低损耗的可见光到红外线传输，这种与CMOS工艺兼容的解决方案非常适合消费级增强现实显示、生物传感器、导航陀螺仪和量子光子技术。通过异质键合技术，如将不兼容的III-V化合物半导体和铌酸锂集成在一起，可以实现包含发射、调制和检测在内的完整光子集成电路的晶圆级制造。这种方法在硅基光电子收发器中的可靠性已经得到验证。将异质集成拓展到可见光波段，开创性地实现新兴应用的可扩展及基于量产晶圆厂可制造性的光电芯片。

  参考资料

  [1]Zhang， Chong， et al. "Integrated photonics beyond communications." Applied Physics Letters 123.23 (2023).