光子積體電路的異質集成技術

矽光子技術的核心內容是研究如何將光電子器件 "小型化", "集成化", 並與微電子晶片相融合, 實現以光子和/或電子為載體的信息功能器件. 由於矽材料的光電特性, 難以用於制作高密度光源及低損耗高速電光調制器等, 因此, 能夠利用各種材料光電特性優勢的矽光子異質集成技術近些年迅速發展, 從而助力實現真正意義上的片上集成光電子系統.

矽光子是利用 CMOS 技術將光學元件整合到矽基板上, 這種整合使得能夠在矽晶片上產生, 操縱和檢測光, 從而促進高速資料傳輸和處理. CPO 涉及將 PIC 和 EIC 異構整合到單一封裝基板上, 這種整合結合了光學和電氣元件的優點, 實現了高速資料傳輸和處理.

在矽光的光子積體電路 (PIC) 中, 其核心器件主要包括: 雷射 (負責將電信號轉化成光信號), 光調制器 (負責將光信號帶寬提升), 光探測器 (負責將光信號轉化成電信號), 解/複用器件 (負責將不同波長攜帶的多路數據合並或分開), 光波導 (負責光信號在矽基材料上傳輸), 光柵耦合器 (負責與對外連接的光纖對準降低插損) 等.

傳統的積體電路透過導電或讓電子輕鬆流過電路來運作, 電子是帶負電的亞原子粒子, 相互作用會減慢電子在 IC 中移動的速度, 限制可傳輸的資訊量, 並產生熱量, 從而導致能量損失. 光子積體電路 (PIC) 利用光子而不是電子, 光子以光速穿過傳輸介質, 幾乎不受其他光子的干擾, 這增加了電路的頻寬和速度, 同時減少了能量損失.

PIC 製造中涉及的兩種整合式製程是單片光子整合和混合光子整合, PIC 和 EIC 可以根據晶片製造所使用的原料來區分,  PIC 製造材料的選擇取決於晶片的用途. 任何功能的 EIC 都可以在矽上製造, 下表總結了用於 PIC 製造的一些原材料及其相關特性.

在 SOI 之上整合 III-V 族材料主要有三種途徑, 即倒裝晶片整合, 異質外延生長和鍵結技術. 晶片上整合光子元件具有尺寸, 重量, 功耗和成本方面的優勢. 異構整合將光學功能結合在晶片上, 到目前為止, 多種材料可以以可擴展的方式整合在通用矽基板上, 用於光子整合元件和電路的大規模生產.

光源技術仍是矽光晶片無法攻克的技術難題, 必須採用異質集成: ①片間混合集成技術: 與目前產業化應用最廣泛的透鏡耦合最為接近, 本質上還屬於微封裝技術. ②片上倒裝焊技術: 通過將制備好的雷射晶片進行倒裝焊集成到矽光晶片上. ③片上鍵合異質集成技術: 通過鍵合 Ⅲ-Ⅴ族外延材料到已加工好的矽光晶圓上. ④片上直接生長異質集成技術: 通過在已制作好的矽光晶圓上開槽, 利用選區外延的方法生長 Ⅲ -Ⅴ族材料.

倒裝晶片組裝製程所需的高對準精度使其難以擴大規模並降低最終 PIC 的成本. 近年來, 透過晶片到晶圓或晶圓到晶圓鍵合的異質集成引起了很多關注, 以克服這個問題,  因為在這種情況下, III-V 結構與矽波導電路的關鍵對準是透過使用晶圓級光刻製程.

III-V 材料是直接帶隙材料, 利用它來產生雷射, 就可以解決矽光晶片的光源難題, 首先在 SOI 材料上加工好所需的矽光器件, 其次將未加工微結構的 III-V 外延片以一定的方式鍵合到矽光晶片上, 接著去除 III-V 的襯底, 並刻蝕出所需的雷射結構以及其他有源器件, 最終形成 III-V 與矽異質集成系統.

表一對四種方法的主要成本細目進行了比較, 並補充了表二給出了估計的基底成本和最大基底尺寸. 最終的生產成本必須採取考慮產量以及製程吞吐量, 矽基製程享有更大晶圓的優勢尺寸/吞吐量, 以及成熟 CMOS 處理的良率. 對表一和表二的檢查表明在普通矽基板上外延生長可能是成本最低的方法.

光子積體電路市場規模預計到 2024年為 151.1億美元, 預計到 2029年將達到 383.5億美元, 2024-2029年複合年成長率為 20.47%. PIC 市場競爭激烈, Neophotonics, Poet Technologies, Cisco 和 Infinera 等主要公司進入該市場, 從市場佔有率來看, 目前該市場由少數大公司主導.