集成光子学：硅基异质集成技术

撰稿 | Rain（清华大学 博士生）

从1860年代麦克斯韦提出光的电磁波理论，到1905年爱因斯坦解释了光电效应，再到1960年激光的发现与应用，光子学与电子学不断的相互融合、互相推动。电子学扩大了光子学应用的范围，光子学也弥补了电子学中不可回避的短板。

1990年，万维网（www）的出现，光纤传输网络将世界带入信息网络1.0时代，信息在网站上单方面输出（Read-only web）。随后，世界又经历了2.0时代（read-write web）和3.0时代（read-write-execute web）。大数据的产生、传输和万物互联的出现，离不开量摩尔定律指引下的集成电路的发展和光纤传输网络信道容量的不断突破。

图源：Medium

20世纪电子学对信息领域做出了巨大贡献，但是随着全球对信息高速公路的需求飞速增加，能源成本的不断增加，自然资源短缺问题日渐突出。电子学固有的在速度、容量上的局限性已经不能满足21世纪我们对通信速度、能量效率和使用成本的要求。而光子器件的响应速度比电子提高3-4个数量级，光子的互不干涉使其具有并行处理信息的能力，在传播速度、存储能力、抗干扰能力等方面，光子学为信息科技的发展提供了新的可能性。因此，在21世纪，电子学和光子学会有更紧密的联系。微电子和光子学的深度融合，为我们进入信息网络x.0时代提供了不可或缺的保障。

由于巨大的需求驱动，这两个关键半导体市场的核心技术在学术和商业领域近年来都发展迅速。

近日，来自美国惠普实验室的梁迪(Di Liang)博士和来自美国加州大学圣芭芭拉分校的约翰·鲍尔斯(John Bowers)教授，在Light: Advanced Manufacturing发表题为“Recent Progress in Heterogeneous III-V-on-Silicon Photonic Integration”的综述文章，介绍了光电集成芯片的最新研究突破，解读了工业界该领域的发展现状，包括用于数据中心互连的硅基光收发器的大规模商用成功，和材料、器件设计、异质集成平台方面的代表性创新。

光电集成芯片艺术效果图

下面让我们跟随作者一起，用历史和发展的眼光回顾这项激动人心的技术，欣赏这一光子学领域巨大革新的本质。

单晶硅凭借其大光学带宽、强可扩展性、低廉的成本和造价、高效的片上路由和高折射率（相比于其自然氧化物），成为光子器件最成熟、广泛的平台。但是，硅属于间接带隙半导体，不能作为有效的光源，这严重阻碍了硅基集成光子学平台的商业化发展。

那么，如何让性能优异的硅光子学平台兼具低功耗、长寿命、大功率的光源呢？

III-V族半导体是具有直接带隙和优秀光学、电学性质的材料，砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）量子阱和量子点激光器已经商用。把III-V族半导体激光器与硅平台集成在一个硅晶圆上的思路自然而生，学者们将其称为“异质集成”。但实现这一目标的工艺壁垒和设计难题还有很多。

硅基异质集成工艺的简介

借力于微电子、MEMS（微机械系统）的发展，晶圆键合成为硅基异质集成最有效的手段。它允许晶圆级别的操作，因此效率最高、成本最低。

硅基异质集成的晶圆键合技术将功能性的非硅薄膜材料转移到硅晶圆上，以弥补硅材料本身缺少或较弱的光电性能。如图1所示，在过去的15年中，它已经发展成为具有许多技术分支的一个新技术领域，其中硅基三五族复合半导体的异质集成是最成熟的一种。

图1. 硅基异质集成光子学及其发展分支

第一代异质光子学集成的商业成果

2016年，由于学术和商业界的紧密合作，Intel公布了第一个商业化硅基异质集成产品，实现了InP激光器与Si高速Mach-Zehnder干涉仪的单片集成，归属于100 Gb/s收发器产品系列。到2018年时，Intel在硅光领域的市场占有率已经超过了50%。Intel的成果和其垂直整合的商业模式已证明硅基异质集成的技术可行性，应用的多功能性以及可观的投资回报。随着市场需求的增长、更大的工业和政府投入以及供应链各环节供应商的加入，一个更具包容性的横向整合生态系统正在建立。

图2. Intel CWDM4 收发器解决方案示意图

材料与器件的加速创新

与第一代异质光子集成的商业产品同时期发展的还有各种新型的材料与器件。例如，用于数据中心和高性能计算的基于InP-on-Si平台的可插拔收发器；具有极低损耗、大透光窗口、优秀的非线性效应的SiN-on-Si平台，弥补了Si在低于1100nm波长时透光窗口截止的缺陷，在AR/VR、度量、生物医药、传感等领域具有新的应用；以及基于InGaAs的855 nm波长的垂直腔表面发射激光器（VCSEL）等等。

文章关注了三个领域的近期进展：

1. 通过选择Si上不同的受激辐射材料和低损耗波导材料，实现了波长从850 nm到大于4 μm的异质激光器的研发；
2. 多种性能创纪录的器件，包括最小线宽达到140 Hz的窄线宽外腔激光器、梳齿宽度为12 nm的量子点激光梳、最小泵浦功率为36 μW的AlGaAs薄膜高Q谐振腔产生光频梳等，异质集成放大了各个材料的独特优势；
3. 在硅基异质集成平台的电学特性方面，提到了异质MOS电容器，它具有极低能量的相位调节和较之于Si MOS的固有的高速动态性能，使得该异质MOS电容器在激光、调制器、开关、滤波器中可作为强大的补充。

异质平台的创新和发展

文章详细讨论了两个有代表性的平台级的创新。

• 第一个是是“背接式”异质平台，与III-V直接在Si侧键合不同，这一平台可耐受所有高温过程，可实现Si及其附件材料的所有功能，将具备某一功能的器件层转移到另外一个SiO2/Si的载片上，得到背面光滑的结构，有利于III-V材料的薄膜转移。
• 第二个是通过高质量的III-V材料外延生长层，与Si基衬底键合，将异质和单片集成结合起来，特殊的横向p-i-n 隐埋异质结构实现了非常好的激光器性能。

图3. “背接式”SOI结构异质集成DFB激光器的工艺流程

15年前，将晶体III-V族化合物附着到Si上，让Si这一性能优异的半导体再焕光芒的想法激发了许多科研工作者的思维碰撞。这不仅仅只是一个停留在学术研究领域的课题，它更将成为迎接数据通信浪潮，改变集成光子学格局的大势所趋。

在一些应用领域，如航天、国防、量测等，只要不同材料的异质集成能达到预期目的，成本不是考虑的主要问题；而在另外一些更大体量的应用领域，如数据中心的收发器、5G网络、自动驾驶汽车中的激光雷达等，期望规模化应用带来的低成本。总之，工业界需要在多功能/集成密度和工艺兼容性/复杂度/体积二者之间进行权衡，以在每个应用中获取利益最大化。

文章信息

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

论文地址

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