氮化硅提供從研發(fā)進展到量產(chǎn)的靈活性

來源：《半導體芯科技》雜志 12/1月刊

現(xiàn)今，氮化硅（SiN）為光子集成提供了更多的途徑，包括新的200mm、高產(chǎn)量、汽車級CMOS生產(chǎn)線。在過去的幾年里，SiN緊隨確立已久的硅光子學之后，該材料平臺已經(jīng)成熟，并在光子集成電路（PIC）市場上，為那些需要非常低傳播損耗、可見波長或高激光功率的應用提供了新的機會。

光子集成電路（PIC）即將重演電子集成電路（IC）的成功故事。PIC的運行使用的是光，而不是電子。在未來的通信、傳感和交通運輸領域的基礎設施中，PIC將發(fā)揮重要作用。雖然硅光子學已經(jīng)存在了20多年，但是在過去的10年里引入了新的材料平臺，這些材料平臺可以提供額外的好處。

使用氮化硅（SiN）波導的動機是多方面的。首先，氮化硅是一種眾所周知的可以兼容CMOS的材料，而且已經(jīng)在半導體行業(yè)廣泛使用。這使得能夠利用標準的CMOS工藝來開發(fā)制備方法和工藝設計套件（PDK）。當后來根據(jù)批量生產(chǎn)要求對工藝流程進行調整時，或者更重要的是，當使用已有的基礎設施來運行工藝流程時，這是主要的要求之一。其次，作為一種材料，氮化硅為PIC市場提供了新的可能性。例如，如果我們將應用波長視作一個主要參數(shù)，可以看到，在經(jīng)典的硅光子學中（光波在硅材料中被引導），透明度開始于一微米以上。這一點非常適合許多光纖應用，特別是通信。

然而，還有更多需要在較低波長下進行光傳播的應用，這是硅光子學不能滿足的。氮化硅具有從可見光到中紅外的透明度窗口（transparency window），這為實現(xiàn)新的應用開辟了道路。除此之外，與硅或磷化銦相比，氮化硅的傳播損耗極低。最后（但并非最不重要的）一點是，由于氮化硅具有大帶隙，因此幾瓦特CW激光功率的高功率傳播是可能的。這就是氮化硅能夠提供出色性能以控制芯片電路中的光，同時具備前所未有的低傳播損耗和高功率處理能力的原因所在。

現(xiàn)有的應用

電信和數(shù)據(jù)通信行業(yè)是目前最大的PIC消費用戶群之一。降低光學損耗在這些領域變得越來越重要，因為光學損耗不僅影響能耗，還會影響器件的性能。用于波分（比如MUX和DEMUX）的陣列波導光柵（AWG）的串擾性能與光傳播損耗成正比。具有高傳播損耗的AWG在其臂中逐步累積相位誤差，因而導致通道之間的串擾增加。另一個關鍵參數(shù)是使AWG具有低溫度依賴性，以盡量減少力的原因所在。熱效應對器件性能的影響。

氮化硅的溫度依賴性比硅低10倍。此外，還需要一種優(yōu)良的過程控制，以確保正確的波段選擇。統(tǒng)計過程控制利用LIGENTEC公司的制備平臺保證了這一點。特別是對于AWG，LIGENTEC的專有技術提供了競爭優(yōu)勢，因為不僅波導的損耗非常低，而且由于該平臺常見的小彎曲半徑，所以陣列波導光柵的面積尺寸很小。波導中的光學模式的高約束使之成為可能。LIGENTEC平臺提供了非常低的相位誤差以及小的占位面積。

新的應用

上述優(yōu)點對于其他新的應用也是具有極為重要意義的。例如，為了實現(xiàn)全自動駕駛，預計用于長距離傳感的下一代LiDAR傳感器將基于相干檢測。這里，反射的光束與一個局部振蕩器混合，濾除所有并非從物體反射回來的光。這些相干檢測方案相當復雜，并且顯著得益于光子集成。

此類調頻連續(xù)波激光雷達（FMCW LiDAR）的關鍵要求是：能夠傳輸高的光學功率；具有低傳播損耗和低相位誤差；最后（但同樣重要的）一點是發(fā)送和接收通道之間的串擾應很低。這里的一個關鍵構建塊是用于控制激光信號調制的延遲線干涉儀。延遲線的長度是一個至關重要的性能參數(shù)，因為它直接關系到距離測量的精度。由于傳播損耗低，彎曲半徑短，因此芯片上的延遲線長度可以達到1m。這與低相位噪聲相結合，實現(xiàn)了高分辨率的FMCW LiDAR解決方案。

要使量子計算機成為現(xiàn)實，最有希望的途徑之一是運用光子。實現(xiàn)可擴展光子量子計算機的唯一方法是借助光子集成，這里，量子態(tài)是以光學方式生成和處理的。各個組件之間的高相位穩(wěn)定性是保持量子態(tài)的一項絕對要求。芯片技術提供的相位穩(wěn)定性是分立光學組件無法實現(xiàn)的。此外，量子計算機需要數(shù)百個節(jié)點才能與經(jīng)典計算機競爭，同時，用于每個節(jié)點的組件必需很小，并有可擴展性?；谏鲜鏊性?，光子集成是實現(xiàn)光子量子計算機的唯一途徑。在量子光子學中，每個光子都很重要，面臨的最大挑戰(zhàn)是需將光子損失保持在最低限度。因此，低損耗的PIC平臺是實現(xiàn)成功光子集成的一個關鍵要求。

最近，領先的量子計算公司Xanadu首次演示了在室溫下使用LIGENTEC氮化硅芯片技術的云量子計算。

為了應對現(xiàn)有應用和新的應用，LIGENTEC開發(fā)了一款可以與廣泛的工藝設計套件（PDK）配合使用的工藝制備產(chǎn)品。波導寬度是一個設計參數(shù)，有10多個工藝模塊可用于創(chuàng)建多種有用的功能，例如：脊型波導、雙層波導、熱調諧元件以及用于傳感應用或與其他材料的異質集成的局部包層開口。

另外，PDK庫還包括一大批具有已知性能和統(tǒng)計數(shù)據(jù)的組件和構建塊，供設計人員作為構件用于構建電路。這些構建塊從各種波導到分路器、交叉點、延遲線到濾波器、偏振旋轉器和偏振濾光器等均在其列。其他構建塊包括反射鏡，以及用于光纖輸入和輸出耦合的組件等等。這得到了具有商用軟件的設計流程和擁有平臺專業(yè)知識的設計公司的支持。

由于氮化硅是一種固有的無源材料，因此LIGENTEC開發(fā)了特殊的制備模塊以集成活性材料。通過異質集成，可以將選擇的材料置于SiN波導的頂部。例如，考慮一個基于Mach-Zehnder干涉儀的調制器，其中光相位在一個臂上改變，組合產(chǎn)生的輸出被調制，以實現(xiàn)調制速度達到幾十GHz的快速開關或調制器。通過將一塊鈮酸鋰直接放在SiN波導的頂部，部分光線將在上部材料中傳播，這樣就可以對其進行操縱了。

相同的原理可以應用于黏合III-V族化合物半導體材料組件，如激光器或檢測器。

2021年9月，LIGENTEC宣布在X-FAB代工廠生態(tài)系統(tǒng)內實施其專有的低損耗氮化硅工藝技術。憑借這一合作關系，PIC生態(tài)系統(tǒng)所有的基本元件現(xiàn)在都可以在歐洲達到批量上市的水平，對于實現(xiàn)自動駕駛汽車、量子計算機、生物傳感器和其他應用所需的大量傳感器的安全、獨立供應來說，這是一個關鍵的條件。由于和X-FAB的這種戰(zhàn)略合作關系，LIGENTEC現(xiàn)在可以接受基于200mm晶圓的低損耗SiN PIC的批量生產(chǎn)要求。通過這種方式，LIGENTEC期待著為其現(xiàn)有的客戶群和新客戶擴大其快速周轉、高質量、低損耗PIC產(chǎn)品供應。

審核編輯黃宇