集成光子學：硅基異質集成技術

撰稿 | Rain（清華大學 博士生）

從1860年代麥克斯韋提出光的電磁波理論，到1905年愛因斯坦解釋了光電效應，再到1960年激光的發現與應用，光子學與電子學不斷的相互融合、互相推動。電子學擴大了光子學應用的範圍，光子學也彌補了電子學中不可迴避的短板。

1990年，萬維網（www）的出現，光纖傳輸網絡將世界帶入信息網絡1.0時代，信息在網站上單方面輸出（Read-only web）。隨後，世界又經歷了2.0時代（read-write web）和3.0時代（read-write-execute web）。大數據的產生、傳輸和萬物互聯的出現，離不開量摩爾定律指引下的集成電路的發展和光纖傳輸網絡信道容量的不斷突破。

圖源：Medium

20世紀電子學對信息領域做出了巨大貢獻，但是隨着全球對信息高速公路的需求飛速增加，能源成本的不斷增加，自然資源短缺問題日漸突出。電子學固有的在速度、容量上的侷限性已經不能滿足21世紀我們對通信速度、能量效率和使用成本的要求。而光子器件的響應速度比電子提高3-4個數量級，光子的互不干涉使其具有並行處理信息的能力，在傳播速度、存儲能力、抗干擾能力等方面，光子學爲信息科技的發展提供了新的可能性。因此，在21世紀，電子學和光子學會有更緊密的聯繫。微電子和光子學的深度融合，爲我們進入信息網絡x.0時代提供了不可或缺的保障。

由於巨大的需求驅動，這兩個關鍵半導體市場的核心技術在學術和商業領域近年來都發展迅速。

近日，來自美國惠普實驗室的樑迪(Di Liang)博士和來自美國加州大學聖芭芭拉分校的約翰·鮑爾斯(John Bowers)教授，在Light: Advanced Manufacturing發表題爲“Recent Progress in Heterogeneous III-V-on-Silicon Photonic Integration”的綜述文章，介紹了光電集成芯片的最新研究突破，解讀了工業界該領域的發展現狀，包括用於數據中心互連的硅基光收發器的大規模商用成功，和材料、器件設計、異質集成平臺方面的代表性創新。

光電集成芯片藝術效果圖

下面讓我們跟隨作者一起，用歷史和發展的眼光回顧這項激動人心的技術，欣賞這一光子學領域巨大革新的本質。

單晶硅憑藉其大光學帶寬、強可擴展性、低廉的成本和造價、高效的片上路由和高折射率（相比於其自然氧化物），成爲光子器件最成熟、廣泛的平臺。但是，硅屬於間接帶隙半導體，不能作爲有效的光源，這嚴重阻礙了硅基集成光子學平臺的商業化發展。

那麼，如何讓性能優異的硅光子學平臺兼具低功耗、長壽命、大功率的光源呢？

III-V族半導體是具有直接帶隙和優秀光學、電學性質的材料，砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）量子阱和量子點激光器已經商用。把III-V族半導體激光器與硅平臺集成在一個硅晶圓上的思路自然而生，學者們將其稱爲“異質集成”。但實現這一目標的工藝壁壘和設計難題還有很多。

借力於微電子、MEMS（微機械系統）的發展，晶圓鍵合成爲硅基異質集成最有效的手段。它允許晶圓級別的操作，因此效率最高、成本最低。

硅基異質集成的晶圓鍵合技術將功能性的非硅薄膜材料轉移到硅晶圓上，以彌補硅材料本身缺少或較弱的光電性能。如圖1所示，在過去的15年中，它已經發展成爲具有許多技術分支的一個新技術領域，其中硅基三五族複合半導體的異質集成是最成熟的一種。

圖1. 硅基異質集成光子學及其發展分支

2016年，由於學術和商業界的緊密合作，Intel公佈了第一個商業化硅基異質集成產品，實現了InP激光器與Si高速Mach-Zehnder干涉儀的單片集成，歸屬於100 Gb/s收發器產品系列。到2018年時，Intel在硅光領域的市場佔有率已經超過了50%。Intel的成果和其垂直整合的商業模式已證明硅基異質集成的技術可行性，應用的多功能性以及可觀的投資回報。隨着市場需求的增長、更大的工業和政府投入以及供應鏈各環節供應商的加入，一個更具包容性的橫向整合生態系統正在建立。

圖2. Intel CWDM4 收發器解決方案示意圖

與第一代異質光子集成的商業產品同時期發展的還有各種新型的材料與器件。例如，用於數據中心和高性能計算的基於InP-on-Si平臺的可插拔收發器；具有極低損耗、大透光窗口、優秀的非線性效應的SiN-on-Si平臺，彌補了Si在低於1100nm波長時透光窗口截止的缺陷，在AR/VR、度量、生物醫藥、傳感等領域具有新的應用；以及基於InGaAs的855 nm波長的垂直腔表面發射激光器（VCSEL）等等。

文章關注了三個領域的近期進展：

文章詳細討論了兩個有代表性的平臺級的創新。

圖3. “背接式”SOI結構異質集成DFB激光器的工藝流程

15年前，將晶體III-V族化合物附着到Si上，讓Si這一性能優異的半導體再煥光芒的想法激發了許多科研工作者的思維碰撞。這不僅僅只是一個停留在學術研究領域的課題，它更將成爲迎接數據通信浪潮，改變集成光子學格局的大勢所趨。

在一些應用領域，如航天、國防、量測等，只要不同材料的異質集成能達到預期目的，成本不是考慮的主要問題；而在另外一些更大體量的應用領域，如數據中心的收發器、5G網絡、自動駕駛汽車中的激光雷達等，期望規模化應用帶來的低成本。總之，工業界需要在多功能/集成密度和工藝兼容性/複雜度/體積二者之間進行權衡，以在每個應用中獲取利益最大化。

文章信息

Di Liang, John E. Bowers. Recent Progress in Heterogeneous III-V-on-Silicon Photonic Integration[J]. Light: Advanced Manufacturing.

論文地址

https://doi.org/10.37188/lam.2021.005