把激光集成到芯片上的四種方法

  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(shù)據(jù)中心服務(wù)器機(jī)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(dá)，用于發(fā)現(xiàn)大氣中的化學(xué)物質(zhì)的光譜儀，以及許多其他應(yīng)用。所有這些系統(tǒng)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(jì)上已經(jīng)變得可行。

  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(diào)制和檢測(cè)的基本功能，除了一項(xiàng)：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(dǎo)體，以其成分在周期表上的位置命名，通常用于制造單獨(dú)封裝的組件來(lái)發(fā)光。

  如果你可以在你的設(shè)計(jì)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(dú)的光源。植入體內(nèi)用于監(jiān)測(cè)血糖水平的微型設(shè)備可能會(huì)面臨這個(gè)問(wèn)題。或者應(yīng)用程序的成本可能需要更緊密的集成:當(dāng)你可以在一塊硅片上安裝數(shù)百或數(shù)千個(gè)激光器時(shí)，你最終將獲得比需要連接單獨(dú)芯片更低的成本和更高的可靠性。

  有很多方法可以實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)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(kuò)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(dú)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)過(guò)來(lái)，使焊料與芯片封裝上的相應(yīng)焊盤(pán)對(duì)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(dāng)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(yán)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(dú)的芯片，并由供應(yīng)商進(jìn)行測(cè)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(biāo)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(duì)齊。我們使用稱(chēng)為對(duì)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(dǎo)的蝕刻面。晶圓級(jí)硅光子工藝，以提高這一性能。它將機(jī)械對(duì)準(zhǔn)基座和更精確蝕刻的對(duì)接耦合接口添加到硅芯片上，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于幾百納米的垂直對(duì)準(zhǔn)。使用這些技術(shù)，我們?cè)? 300 毫米硅光子晶圓上組裝了某些激光設(shè)備。我們很高興地看到，來(lái)自每個(gè)設(shè)備的 50 毫瓦激光中有多達(dá) 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(jié)果可與主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的耦合效率相媲美，主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)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(dǎo)對(duì)準(zhǔn)過(guò)程。

  倒裝芯片方法的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是配對(duì)芯片類(lèi)型的簡(jiǎn)單性和靈活性。因?yàn)樗鼈兛梢栽诂F(xiàn)有的生產(chǎn)線上生產(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(gòu)。而且，隨著市場(chǎng)需求的增加，越來(lái)越多的供應(yīng)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(dú)拾取和放置——是一個(gè)重大缺陷。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，它限制了制造吞吐量和大幅降低成本的潛力。這對(duì)于成本敏感的應(yīng)用（如消費(fèi)產(chǎn)品）以及每個(gè)芯片需要多個(gè)激光設(shè)備的系統(tǒng)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(zhuǎn)印

  微轉(zhuǎn)移印刷消除了對(duì)接耦合的一些對(duì)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(zhǎng)在 III-V 族半導(dǎo)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(dú)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(shè)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(dǎo)結(jié)構(gòu)對(duì)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(zhuǎn)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(dǎo)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(dǎo)結(jié)構(gòu)的頂部，然后光“滲入”其中。雖然以這種方式傳輸?shù)墓β瘦^少，但漸逝耦合比對(duì)接耦合要求的對(duì)準(zhǔn)精度低。

  具有更大的對(duì)齊容差使該技術(shù)能夠一次傳輸數(shù)千個(gè)設(shè)備。因此，原則上它應(yīng)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(yīng)用的理想選擇。

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

  在微轉(zhuǎn)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(duì)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(gòu)建的激光器（或其他發(fā)光組件）轉(zhuǎn)移到經(jīng)過(guò)處理的硅晶片，而是將 III-V 族半導(dǎo)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(yīng)硅波導(dǎo)的地方構(gòu)建所需的激光設(shè)備。

  在轉(zhuǎn)移的材料中，我們只對(duì)結(jié)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?biāo)準(zhǔn)光刻和晶圓級(jí)工藝在與底層硅波導(dǎo)對(duì)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。

  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，該生產(chǎn)線可以使用用于制造 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(dǎo)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(dǎo)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(jié)合起來(lái)的理想方法是直接在硅上生長(zhǎng) III-V 族半導(dǎo)體，這種方法稱(chēng)為單片集成。這將消除任何粘合或?qū)R的需要，并且將減少浪費(fèi)的 III-V 材料的數(shù)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(xù)朝著這個(gè)目標(biāo)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(jié)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(dǎo)體中原子的晶格間距之間存在相當(dāng)大的不匹配——超過(guò) 4%。

  由于這種晶格失配，在硅上生長(zhǎng)的每個(gè) III-V 層都會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變。僅添加幾納米的 III-V 薄膜后，晶體中就會(huì)出現(xiàn)缺陷，從而釋放累積的應(yīng)變。這些“失配”缺陷沿著穿透整個(gè) III-V 層的線形成。這些缺陷包括開(kāi)路晶體鍵線和局部晶體畸變，這兩者都會(huì)嚴(yán)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(yuǎn)離設(shè)備的地方。這樣做通常涉及鋪設(shè)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(yīng)變區(qū)域之間形成一個(gè)巨大的緩沖區(qū)，激光設(shè)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(bào)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(yàn)只是在小規(guī)模上進(jìn)行的。將該技術(shù)擴(kuò)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(dǎo)致各種機(jī)械問(wèn)題，例如 III-V 薄膜內(nèi)部出現(xiàn)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(dǎo)。

  NRE 使用一種稱(chēng)為縱橫比陷印的現(xiàn)象將缺陷限制在小區(qū)域。它首先在二氧化硅絕緣體層內(nèi)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(nèi)生長(zhǎng)一層薄薄的 III-V 族晶體，應(yīng)變引起的失配缺陷被有效地捕獲在溝槽側(cè)壁，防止這些缺陷線穿透得更遠(yuǎn)。填充溝槽后，繼續(xù)生長(zhǎng)以在溝槽上方形成更大的 III-V 族材料納米脊。該納米級(jí)脊中的材料完全沒(méi)有缺陷，因此可用于激光設(shè)備。

  Nanoridge engineering 在硅中特殊形狀的溝槽中生長(zhǎng)適用于激光的半導(dǎo)體。溝槽的形狀將缺陷 [插圖] 置于激光器構(gòu)造區(qū)域的下方。

  硅激光器的前景

  相對(duì)適中的安裝成本和倒裝芯片激光器組件的準(zhǔn)備就緒將使近期產(chǎn)品成為可能，并且對(duì)于每個(gè)光子 IC 只需要一個(gè)或幾個(gè)激光器的應(yīng)用特別有吸引力，例如數(shù)據(jù)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(duì)需要非標(biāo)準(zhǔn)激光波長(zhǎng)或不常見(jiàn)的光子技術(shù)的應(yīng)用具有吸引力。

  對(duì)于每個(gè)光子 IC 需要多個(gè)激光器或放大器的大批量應(yīng)用，轉(zhuǎn)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?yàn)檫@里的設(shè)置成本要高得多，所以適合這些技術(shù)的應(yīng)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(jí)集成方面取得進(jìn)一步進(jìn)展，才能釋放其潛力。