將激光器件與硅集成的方法探討

來源：《半導(dǎo)體芯科技》雜志

比利時(shí)根特大學(xué)的兩位教授Roel Baets和Gunther Roelkens，以及imec的兩位科學(xué)家Joris Van Campenhout和Bernardette Kunert，四人共同撰寫的一篇文章“4 Ways to Put Lasers on Silicon”發(fā)表在IEEE Spectrum上。文章介紹了關(guān)于實(shí)現(xiàn)激光器與硅緊密集成的四種方法：倒裝芯片集成、微轉(zhuǎn)印、晶圓鍵合和單片集成，就這些方法的工作原理、可擴(kuò)展性和成熟度級(jí)別等方面進(jìn)行了比較探討。以下是我們根據(jù)該文章編譯整理的部分內(nèi)容，供讀者參考。

引言

光子集成電路（PIC）是在單個(gè)芯片上結(jié)合了一系列光電功能。PIC在日常生活中正在成為越來越普遍的一部分。它們用于連接數(shù)據(jù)中心服務(wù)器機(jī)架的高速光收發(fā)器，包括用于提供網(wǎng)站的收發(fā)器，用于保持自動(dòng)駕駛汽車在軌道上的激光雷達(dá)，用于發(fā)現(xiàn)大氣中化學(xué)物質(zhì)的光譜儀，以及許多其他應(yīng)用。所有這些系統(tǒng)都已經(jīng)變得比較便宜，并且在某些情況下，通過使用硅制造技術(shù)制造了大部分IC，在經(jīng)濟(jì)上變得可行。

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(diào)制和檢測(cè)的基本功能，但是還不能將光發(fā)射功能集成到硅光子芯片上。因?yàn)楣璞旧聿⒉荒苡行У刈龅竭@一點(diǎn)，因此通常采用由III-V族材料組成的半導(dǎo)體來制造單獨(dú)的組件以產(chǎn)生光。

如果您可以在設(shè)計(jì)中使用外部激光二極管，那就沒有問題了。但最近有幾個(gè)因素促使工程師將激光器與硅光子產(chǎn)品集成在一起。比如，可能沒有空間放置單獨(dú)的光源。例如旨在植入體內(nèi)以監(jiān)測(cè)血糖水平的微型設(shè)備可能會(huì)面臨這個(gè)問題?；蛘?，出于對(duì)應(yīng)用成本的考慮，可能需要更緊密的集成：當(dāng)您可以在單個(gè)硅晶圓上裝進(jìn)數(shù)百或數(shù)千個(gè)激光器時(shí)，與需要連接這些單獨(dú)的芯片相比，將激光器與硅晶圓集成會(huì)使您最終獲得更低的成本和更高的可靠性。有很多方法可以實(shí)現(xiàn)激光器與硅的更緊密集成。比利時(shí)納米電子研發(fā)中心imec開展了相關(guān)的研究工作，他們目前正在采用四種基本策略：倒裝芯片集成、微轉(zhuǎn)印、晶圓鍵合和單片集成。下面就這些方法的工作原理、它們的可擴(kuò)展性和成熟度級(jí)別，以及它們的優(yōu)缺點(diǎn)等方面進(jìn)行討論。

倒裝芯片集成

在硅晶圓上直接集成激光器，這種直接方法是一種芯片封裝技術(shù)，被稱為倒裝芯片工藝。

△圖1：在倒裝芯片鍵合中，激光芯片（左）被一個(gè)一個(gè)地轉(zhuǎn)移并鍵合到硅光子晶圓上。（By Emily Cooper）

△圖2：在微轉(zhuǎn)印印刷中，激光芯片（紅色矩形，左）被很弱地固定在自己的晶圓上。印章（淺灰色）一次拾取多個(gè)激光器，然后將它們放置在硅光子晶圓上。（By Emily Cooper）

芯片的電氣連接在頂部，互連的最上層終止在金屬襯墊（焊盤）上。倒裝芯片技術(shù)依靠焊球附著在這些焊盤上。將芯片翻轉(zhuǎn)過來，使焊料與芯片封裝上(或者在我們的情況下在另一個(gè)芯片上)的相應(yīng)焊盤對(duì)齊。然后將焊料熔化，將芯片鍵合到封裝上。

當(dāng)試圖將激光芯片鍵合到硅光子芯片時(shí)，這個(gè)概念與倒裝芯片技術(shù)是相似的，但更加嚴(yán)格。邊緣發(fā)射激光器在晶圓上已經(jīng)加工完成，被切割成單獨(dú)的芯片，并由供應(yīng)商進(jìn)行測(cè)試。然后，使用高精度的倒裝工藝，將單個(gè)激光芯片與目標(biāo)硅光子晶圓鍵合，一次鍵合一個(gè)激光芯片。困難的部分是確保從邊緣發(fā)射的激光輸出與硅光子芯片的輸入對(duì)齊。我們使用一種稱為對(duì)接耦合（butt-coupling）的工藝，將激光芯片放置在硅的凹槽處，以使它橫向靠近硅光子波導(dǎo)的蝕刻面。

為此，倒裝芯片工藝要求在空間三個(gè)維度上全部實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)對(duì)準(zhǔn)精度。在過去的幾年里，imec已經(jīng)開發(fā)了專門的倒裝芯片鍵合工具來完成這項(xiàng)工作，他們與合作者，以及開發(fā)合作伙伴已經(jīng)使用它們來優(yōu)化組裝流程。利用先進(jìn)的拾取和放置工具，使用機(jī)器視覺來保持精確對(duì)準(zhǔn)，可以在短短幾十秒內(nèi)放置和鍵合激光器，精度優(yōu)于500納米。

2021年，imec還建立了晶圓級(jí)硅光子工藝，以改善這一性能。它為硅芯片增加了機(jī)械對(duì)準(zhǔn)基座和更精確的蝕刻對(duì)接耦合接口，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)，他們?cè)?00毫米硅光子晶圓上組裝了一些激光器件。并且很高興地看到，來自每個(gè)激光器的50毫瓦激光有多達(dá)80%耦合到它所連接的硅光子芯片中。最壞的情況下整個(gè)晶圓的耦合率仍在60%左右。這樣的結(jié)果可以與主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的耦合效率相媲美，而主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)是一種更耗時(shí)的過程，其中來自激光器本身的光用于引導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)過程。

倒裝芯片方法的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是配接芯片類型的簡(jiǎn)單性和靈活性。因?yàn)樾酒梢栽诂F(xiàn)有的制造生產(chǎn)線中生產(chǎn)，額外增加的工程有限，所以它們都可以從多個(gè)制造商處采購。而且，隨著市場(chǎng)需求的增加，越來越多的供應(yīng)商正在提供倒裝芯片組裝服務(wù)。另一方面，這個(gè)工藝的順序性（每個(gè)激光芯片都需要單獨(dú)拾取和放置）是一個(gè)明顯的缺點(diǎn)。從長遠(yuǎn)來看，它限制了制造吞吐量和大幅降低成本的潛力。這對(duì)于成本敏感型應(yīng)用尤其重要，比如消費(fèi)類產(chǎn)品，以及

每個(gè)芯片需要多個(gè)激光裝置的系統(tǒng)。

微轉(zhuǎn)印

微轉(zhuǎn)印（microtransfer printing）消除了對(duì)接耦合的一些對(duì)準(zhǔn)困難，同時(shí)也使組裝過程更快。就像在倒裝芯片集成中一樣，發(fā)光器件先在III-V族半導(dǎo)體襯底上生長。但有一個(gè)很大的區(qū)別：III-V族晶圓沒有被切成單獨(dú)的芯片。而是將晶圓上的激光器底切，因此它們僅通過很小的束縛弱連接固定在源晶圓上。然后用一種類似墨水印章的工具把這些激光器一起拾取起來，打破它們與源晶圓的小束縛。然后，印章再將這些激光器與硅光子晶圓上的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)，并在那里鍵合它們。

倒裝芯片技術(shù)使用的是金屬焊料凸點(diǎn)，而微轉(zhuǎn)印使用粘合劑，甚至可以僅使用分子鍵合，依靠兩個(gè)平面之間的范德華力來將激光器固定。此外，在硅光子芯片中，光源和波導(dǎo)之間的光耦合也是通過不同的過程發(fā)生的。該過程稱為倏逝波耦合，它是將激光器放置在硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的頂部，讓光線“流入”其中。雖然以這種方式傳輸?shù)墓β瘦^少，但與對(duì)接耦合相比，倏逝波耦合對(duì)于對(duì)準(zhǔn)精度的要求較低。

△圖3：在die-to-wafer鍵合中，III-V族半導(dǎo)體(粉紅色)的空白片被粘合到已經(jīng)加工過的硅光子

晶圓上。III-V族材料在硅波導(dǎo)上方被加工成激光器件。然后將多余的III-V族材料蝕刻掉。（By Emily Cooper）

因?yàn)樵试S具有較大的對(duì)準(zhǔn)偏差，使該技術(shù)能夠一次轉(zhuǎn)移數(shù)千個(gè)組件。因此，原則上，它應(yīng)該允許比倒裝芯片工藝更高的吞吐量，非常適合每單位面積需要集成大量III-V族組件的應(yīng)用。

盡管轉(zhuǎn)移印刷是制造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)品的顯示器制造需要轉(zhuǎn)移印刷工藝，但該工藝尚未準(zhǔn)備好用于打印激光器或光放大器。但imec正在努力實(shí)現(xiàn)它。

去年，imec使用轉(zhuǎn)移印刷成功地將這種光源連接到包含硅光子波導(dǎo)、高速光調(diào)制器和光電探測(cè)器的晶圓上。他們還打印了波長可調(diào)超過45nm的紅外激光器和適用于基于芯片的光譜系統(tǒng)的高脈沖能量器件。這些只是為了演示目的而制作，但看不出這種方法不能獲得高產(chǎn)量的好結(jié)果的根本原因。因此，他們預(yù)計(jì)這項(xiàng)技術(shù)將在幾年內(nèi)準(zhǔn)備好部署在生產(chǎn)線上。

Die-to-Wafer鍵合

在上面討論的兩種技術(shù)中，將發(fā)光元件與其搭配的硅光子部件精確對(duì)準(zhǔn)是關(guān)鍵的一步。但有一種技術(shù)，被稱為III-V-to-silicon-wafer鍵合的形式，找到了解決這個(gè)問題的方法。該方案不是將已經(jīng)構(gòu)建的激光器(或其他發(fā)光元件)轉(zhuǎn)移到加工過的硅晶圓上，而是將III-V半導(dǎo)體的空白die(甚至小晶圓)粘合到硅晶圓上。然后在相應(yīng)的硅波導(dǎo)上構(gòu)建所需的激光裝置。

在轉(zhuǎn)移的材料中，我們只對(duì)其中稱為外延層的結(jié)晶III-V族材料薄層感興趣。因此，在與硅晶圓結(jié)合后，其余的材料會(huì)被去除。然后，在與底層硅波導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)的外延層中使用標(biāo)準(zhǔn)光刻和晶圓級(jí)工藝制造激光二極管。最后將所有不需要的III-V族材料蝕刻掉。

英特爾公司的工程師在過去十年中開發(fā)了這種方法，并于2016年推出了第一批使用該方法構(gòu)建的商業(yè)產(chǎn)品，即光收發(fā)器。該方法允許高吞吐量集成，因?yàn)樗梢酝瑫r(shí)并行處理多個(gè)組件。與轉(zhuǎn)移印刷一樣，它在III-V族和硅材料之間使用倏逝波耦合，從而可以產(chǎn)生一個(gè)高效光接口。

III-V-to-silicon-wafer鍵合有一個(gè)缺點(diǎn)：您需要大量投資來建立一條生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線可以使用用于制造直徑為200毫米或300毫米的硅晶圓的工具來處理III-V族工藝步驟。這些工具與激光二極管代工廠中使用的工具非常不同，后者典型的晶圓直徑要小得多。

單片集成

結(jié)合這兩種不同材料的理想方法是直接在硅上生長III-V族半導(dǎo)體，這種方法被稱為單片集成。這將消除任何粘合或?qū)?zhǔn)的需要，并將減少III-V族材料的浪費(fèi)量。但是，要使這種方法切實(shí)可行，還需要克服許多技術(shù)障礙。因此，imec和其他機(jī)構(gòu)仍然在對(duì)這種方法繼續(xù)進(jìn)行研究。

△圖4：納米脊工程在硅中特殊形狀的溝槽中生長適合激光器件的半導(dǎo)體。溝槽的形狀將缺陷（嵌入）捕獲到遠(yuǎn)低于構(gòu)建激光器件的區(qū)域。（Source：imec）

該研究的主要目的是制造具有低缺陷密度的結(jié)晶III-V族材料。根本問題是，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4%。

由于這種晶格不匹配，在硅上生長的每個(gè)III-V層都會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變。在添加幾納米的III-V族薄膜后，晶體中就會(huì)出現(xiàn)缺陷，以釋放積聚的應(yīng)變。這些“不匹配”的缺陷沿著穿透整個(gè)III-V族層的線條形成。這些缺陷包括開放的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。

為了防止這些缺陷扼殺激光器，必須把缺陷限制在遠(yuǎn)離激光裝置的地方。因此，通常需要鋪設(shè)一層幾微米厚的III-V族材料，在下面的不匹配缺陷和上方的無應(yīng)變區(qū)域之間形成一個(gè)巨大的緩沖區(qū)，然后在那里可以制造激光裝置。加州大學(xué)圣巴巴拉分校的研究人員曾報(bào)告了使用這種方法取得的出色進(jìn)展，展示了高效率基于砷化鎵的量子點(diǎn)激光器，具有良好的可靠性壽命。

然而，這些實(shí)驗(yàn)只在小規(guī)模上進(jìn)行。將該技術(shù)擴(kuò)展到工業(yè)中使用的200毫米或300毫米晶圓上是困難的。添加厚緩沖層可能會(huì)導(dǎo)致各種機(jī)械問題，例如III-V族薄膜內(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，因此將光耦合到硅襯底中的底層波導(dǎo)具有挑戰(zhàn)性。

為了規(guī)避這些挑戰(zhàn)，imec引入了一種新的單片集成方法，稱為納米脊工程（nanoridge engineering, NRE）。該技術(shù)旨在迫使缺陷形成在非常狹窄的空間內(nèi)，從而可以在與底層硅的界面上方略高于100納米的位置構(gòu)建發(fā)光器件。NRE使用一種稱為縱橫比捕獲的現(xiàn)象將缺陷限制在小區(qū)域。它首先在一層二氧化硅絕緣體內(nèi)創(chuàng)建窄而深的溝槽。在溝槽的底部，絕緣體與硅相接觸的地方，會(huì)有一個(gè)凹槽切入硅中，使空隙具有箭頭形的橫截面。然后在溝槽內(nèi)生長一層薄薄的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)壁上，防止這些缺陷線進(jìn)一步滲透。溝槽被填滿后，生長物繼續(xù)在溝槽上方形成更大的III-V族材料納米脊。納米級(jí)脊中的材料足夠好，沒有缺陷，因此可用于制作激光器件。

大多數(shù)關(guān)于單片集成的研究都是在改進(jìn)單個(gè)器件并確定其失敗原因的層面上進(jìn)行的。但imec在采用該技術(shù)的晶圓級(jí)集成方面已經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，在300毫米硅試驗(yàn)生產(chǎn)線中生產(chǎn)了高質(zhì)量的基于GaAs的光電二極管。下一個(gè)里程碑將是演示基于與光電二極管類似設(shè)計(jì)的電泵浦激光器。納米脊工程仍在實(shí)驗(yàn)室開發(fā)中，但如果它有效，無疑將對(duì)這個(gè)行業(yè)產(chǎn)生重大影響。

硅上激光器的前景

未來幾年，這里討論的每種方法肯定會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，預(yù)計(jì)它們最終將共存以滿足不同的應(yīng)用需求和用例。

倒裝芯片激光器組裝，因?yàn)橄鄬?duì)適中的生產(chǎn)成本和成熟性，將使其近期產(chǎn)品化成為可能，對(duì)于每個(gè)PIC只需要一個(gè)或兩三個(gè)激光器的應(yīng)用（例如數(shù)據(jù)中心中使用的光收發(fā)器）特別有吸引力。此外，這種方法固有的靈活性使其對(duì)需要非標(biāo)準(zhǔn)激光波長或不常見光子技術(shù)的應(yīng)用具有吸引力。

對(duì)于每個(gè)PIC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die-to-wafer鍵合可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。由于生產(chǎn)投入成本很高，因此這些技術(shù)適合的應(yīng)用必須具有很大的市場(chǎng)。

最后，在硅上直接進(jìn)行III-V外延，如NRE納米脊技術(shù)，代表了激光器件集成的最終水平，但還需要在材料質(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。

審核編輯 黃宇