把激光集成到芯片上的四种方法

你可以用硅光子学制造很多东西，但激光不是其中之一。

光子集成电路，将一系列光电功能组合在一块芯片上，在日常生活中越来越常见。它们被用于连接数据中心服务器机架的高速光收发器，包括用于传输IEEE Spectrum网站的高速光收发器，用于保持自动驾驶汽车在轨道上的激光雷达，用于发现大气中的化学物质的光谱仪，以及许多其他应用。所有这些系统都变得越来越便宜，在某些情况下，通过使用硅制造技术制造大部分集成电路，在经济上已经变得可行。

工程师们已经能够在硅光子芯片上集成几乎所有重要的光学功能，包括调制和检测的基本功能，除了一项：发光。硅本身不能有效地做到这一点，所以由所谓的III-V材料制成的半导体，以其成分在周期表上的位置命名，通常用于制造单独封装的组件来发光。

如果你可以在你的设计中使用外部激光二极管，那就没有问题。但最近有几个因素促使工程师们将激光与硅光子学集成起来。例如，可能没有空间放置单独的光源。植入体内用于监测血糖水平的微型设备可能会面临这个问题。或者应用程序的成本可能需要更紧密的集成:当你可以在一块硅片上安装数百或数千个激光器时，你最终将获得比需要连接单独芯片更低的成本和更高的可靠性。

有很多方法可以实现激光和硅的这种更紧密的集成。在位于比利时的纳米电子研发中心 Imec 工作，我们目前正在推行四种基本策略：倒装芯片加工、微转移印刷、晶圆键合和单片集成。以下是关于这些方法如何工作、它们的可扩展性和成熟度水平以及它们的优缺点的指南。

将激光器直接集成到硅晶圆上的一种直接方法是芯片封装技术，称为倒装芯片工艺，顾名思义。

芯片的电气连接在顶部，最上层的互连终止于金属焊盘。倒装芯片技术依赖于连接到这些焊盘上的焊球。然后将芯片翻转过来，使焊料与芯片封装上的相应焊盘对齐（或者在我们的例子中是另一个芯片上）。然后焊料熔化，将芯片粘合到封装上。

当试图将激光芯片键合到硅光子芯片时，这个概念是相似的，但更为严格。边缘发射激光器在晶圆上进行全面加工，切割成单独的芯片，并由供应商进行测试。然后使用高精度版本的倒装芯片工艺将单个激光芯片键合到目标硅光子晶圆上，一次一个激光芯片。困难的部分是确保边缘发射的激光输出与硅光子芯片的输入对齐。我们使用称为对接耦合的工艺，其中激光器放置在硅的凹陷部分，因此它横向邻接硅光子波导的蚀刻面。

为此，倒装芯片工艺需要在所有三个维度上都达到亚微米级的对准精度。在过去的几年里，已经开发出专门的倒装芯片焊接工具来完成这项工作，我们和我们的合作者和开发伙伴已经使用它们来优化组装过程。利用使用机器视觉来保持精确对准的先进拾取和放置工具，我们可以在短短几十秒内放置和键合精度优于 500 纳米的激光设备。

2021 年，我们还建立了晶圆级硅光子工艺，以提高这一性能。它将机械对准基座和更精确蚀刻的对接耦合接口添加到硅芯片上，以实现优于几百纳米的垂直对准。使用这些技术，我们在 300 毫米硅光子晶圆上组装了某些激光设备。我们很高兴地看到，来自每个设备的 50 毫瓦激光中有多达 80% 被耦合到与其相连的硅光子芯片中。在最坏的情况下，整个晶圆上的耦合度仍然在 60% 左右。这些结果可与主动对准实现的耦合效率相媲美，主动对准是一个更耗时的过程，其中来自激光器本身的光用于引导对准过程。

倒装芯片方法的一个显着优势是配对芯片类型的简单性和灵活性。因为它们可以在现有的生产线上生产，附加工程有限，所以它们每个都可以从多个制造商处采购。而且，随着市场需求的增加，越来越多的供应商提供倒装芯片组装服务。另一方面，该过程的顺序性质——每个激光芯片都需要单独拾取和放置——是一个重大缺陷。从长远来看，它限制了制造吞吐量和大幅降低成本的潜力。这对于成本敏感的应用（如消费产品）以及每个芯片需要多个激光设备的系统尤为重要。

使用倒装芯片方法的高精度版本将激光芯片连接到硅光子芯片上。

微转移印刷消除了对接耦合的一些对齐困难，同时还加快了组装过程。与倒装芯片工艺一样，发光器件生长在 III-V 族半导体基板上。但有一个很大的不同：III-V 晶圆没有被切割成单独的芯片。相反，晶圆上的激光器被底切，因此它们仅通过小系绳连接到源晶圆。然后用类似墨水印章的工具将这些设备一起捡起来，打破系绳。然后，印模将激光器与硅光子晶圆上的波导结构对齐，并将它们粘合在那里。

倒装芯片技术使用金属焊料凸点，而微转移印刷使用粘合剂，甚至可以仅靠分子键合，这依赖于两个平面之间的范德华力，将激光固定到位。此外，硅光子芯片中光源和波导之间的光学耦合通过不同的过程发生。该过程称为渐逝耦合，将激光器放置在硅波导结构的顶部，然后光“渗入”其中。虽然以这种方式传输的功率较少，但渐逝耦合比对接耦合要求的对准精度低。

具有更大的对齐容差使该技术能够一次传输数千个设备。因此，原则上它应该允许比倒装芯片处理更高的吞吐量，并且是要求在每单位面积上集成大量 III-V 族组件的应用的理想选择。

尽管转印是制造 microLED 显示器的既定工艺，例如许多增强现实和虚拟现实产品所需的显示器，但尚未准备好打印激光或光学放大器。但我们到了那里。

去年，Imec 成功地使用转移印刷将此类光源连接到包含硅光子波导、高速光调制器和光电探测器的晶圆上。我们还印刷了可调谐超过 45 nm 波长的红外激光器和适用于基于芯片的光谱系统的高脉冲能量设备。这些只是为了演示目的而制作的，但我们没有看到这种方法无法以高产量取得良好结果的根本原因。因此，我们预计该技术将在几年内准备好部署到生产线上。

在微转移印刷中，激光芯片 [红色矩形，左] 在其自己的晶圆上固定到位。邮票 [浅灰色] 一次拾取多个激光器并将它们放置在硅光子晶圆上。

将发光元件与其硅光子学伙伴精确对齐是我们讨论的两种技术的关键步骤。但是有一种技术，一种称为 III-V 族硅晶圆键合的技术，找到了解决方法。该方案不是将已构建的激光器（或其他发光组件）转移到经过处理的硅晶片，而是将 III-V 族半导体的空白芯片（甚至小晶片）粘合到该硅晶片。然后，您可以在已有相应硅波导的地方构建所需的激光设备。

在转移的材料中，我们只对结晶 III-V 材料的薄层感兴趣，称为外延层。因此，在与硅晶圆键合后，其余材料将被去除。可以使用标准光刻和晶圆级工艺在与底层硅波导对齐的外延层中制造激光二极管。然后蚀刻掉任何不需要的 III-V 材料。

英特尔 的工程师在过去十年中开发了这种方法，并于 2016 年推出了第一个用它构建的商业产品——光收发器。这种方法允许高吞吐量集成，因为它可以同时并行处理许多设备。与转印一样，它在 III-V 族和硅材料之间使用渐逝耦合，从而产生高效的光学界面。

III-V 族与硅晶圆键合的一个缺点是您需要大量投资来建立一条生产线，该生产线可以使用用于制造 200 毫米或 300 毫米的硅晶圆的工具来处理 III-V 族工艺步骤毫米直径。这种工具与激光二极管铸造厂中使用的工具非常不同，后者的典型晶圆直径要小得多。

在芯片到晶圆键合中，III-V 族半导体 [粉红色] 的空白片被键合到已经处理过的硅光子晶圆上。III-V 族材料在硅波导上方加工成激光器。然后蚀刻掉其余的 III-V 材料。

将所涉及的两种不同材料结合起来的理想方法是直接在硅上生长 III-V 族半导体，这种方法称为单片集成。这将消除任何粘合或对齐的需要，并且将减少浪费的 III-V 材料的数量。但要使这种策略切实可行，必须克服许多技术障碍。因此，Imec 和其他地方继续朝着这个目标进行研究。

该研究的主要目的是创造具有低缺陷密度的结晶 III-V 材料。根本问题在于，硅中原子的晶格间距与感兴趣的 III-V 族半导体中原子的晶格间距之间存在相当大的不匹配——超过 4%。

由于这种晶格失配，在硅上生长的每个 III-V 层都会产生应变。仅添加几纳米的 III-V 薄膜后，晶体中就会出现缺陷，从而释放累积的应变。这些“失配”缺陷沿着穿透整个 III-V 层的线形成。这些缺陷包括开路晶体键线和局部晶体畸变，这两者都会严重降低光电器件的性能。

为防止这些缺陷破坏激光器，必须将它们限制在远离设备的地方。这样做通常涉及铺设一层几微米厚的 III-V 材料，在下面的失配缺陷和上面的无应变区域之间形成一个巨大的缓冲区，激光设备可以在那里制造。加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校的研究人员报告了使用这种方法取得的出色进展，展示了具有可靠寿命的高效砷化镓基量子点激光器。

然而，这些实验只是在小规模上进行的。将该技术扩展到工业中使用的 200 或 300 毫米晶圆将很困难。添加厚缓冲层可能会导致各种机械问题，例如 III-V 薄膜内部出现裂纹或晶圆弯曲。此外，由于有源器件位于如此厚的缓冲层之上，因此很难将光耦合到硅基板中的下方波导。

为了规避这些挑战，Imec 引入了一种称为纳米脊工程或 NRE 的单片集成新方法。该技术旨在迫使缺陷在如此有限的空间中形成，以便可以在与底层硅的界面上方略高于 100 nm 处构建工作设备。

NRE 使用一种称为纵横比陷印的现象将缺陷限制在小区域。它首先在二氧化硅绝缘体层内形成又窄又深的沟槽。在沟槽底部，也就是绝缘体与硅接触的地方，一条凹槽切入硅中，使空隙的横截面呈箭头形。然后在沟槽内生长一层薄薄的 III-V 族晶体，应变引起的失配缺陷被有效地捕获在沟槽侧壁，防止这些缺陷线穿透得更远。填充沟槽后，继续生长以在沟槽上方形成更大的 III-V 族材料纳米脊。该纳米级脊中的材料完全没有缺陷，因此可用于激光设备。

大多数关于单片集成的研究都是在改进单个设备和确定其故障原因的层面上进行的。但 Imec 已经在展示与该技术的完整晶圆级集成方面取得了实质性进展，在 300 毫米硅试产线上生产了高质量的基于 GaAs 的光电二极管。下一个里程碑将是基于与光电二极管类似设计的电泵浦激光器的演示。Nanoridge 工程仍在实验室中进行开发，但如果成功，无疑将对这个行业产生巨大影响。

Nanoridge engineering 在硅中特殊形状的沟槽中生长适用于激光的半导体。沟槽的形状将缺陷 [插图] 置于激光器构造区域的下方。

在接下来的几年里，这里讨论的每一种方法都肯定会取得进一步进展。我们预计它们最终将共存以满足不同的应用程序需求和用例。

相对适中的安装成本和倒装芯片激光器组件的准备就绪将使近期产品成为可能，并且对于每个光子 IC 只需要一个或几个激光器的应用特别有吸引力，例如数据中心使用的光收发器。此外，这种方法固有的灵活性使其对需要非标准激光波长或不常见的光子技术的应用具有吸引力。

对于每个光子 IC 需要多个激光器或放大器的大批量应用，转移印刷和芯片到晶圆键合提供更高的制造吞吐量、更小的耦合损耗，并有可能进一步降低成本。因为这里的设置成本要高得多，所以适合这些技术的应用程序必须有很大的市场。

最后，硅上的直接 III-V 族外延，例如 NRE 技术，代表了激光集成的最高水平。但我们和其他研究人员必须在材料质量和晶圆级集成方面取得进一步进展，才能释放其潜力。

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