硅基光子集成的发展及其相关技术简述

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随着现代社会信息化的发展，对于通信带宽的需求日益增长，而在过去的半个多世纪里,电互连在信息行业的发展起着至关重要的作用,但随着晶体管特征尺寸的不断减小,使电互连面临着信号延迟大、传输带宽小、功耗大、信号串扰大、加工困难、成本高等局限,集成度提高的速度减慢甚至趋于停滞。光通信技术迎来了前所未有的发展机遇。光通信技术在长距离通信领域有绝对优势，但用户端光通信器件不普及，因此提高器件集成度，降低成本成为关键。光器件是光通信系统的基础与核心，最能够代表一个国家在光通信技术领域的水平和能力。光子集成（photonicintegratedcircuits，PIC）是指将多个光器件集成在一起的技术，相对于目前广泛采用的分立元器件，在尺寸、能耗、成本、可靠性等方面拥有巨大优势，是未来光器件的主流发展方向。
近年来，随着技术的逐渐积累以及产业需求的旺盛，光子集成技术迅猛发展,其中硅基光集成技术脱颖而出,硅材料在电子集成电路中应用广泛，成本低廉、性能稳定、工艺成熟，适合规模化生产。在PIC领域，由于硅是间隙能带材料，禁带宽度较大，发光效率和光电效应很弱，目前主要应用于无源器件，基于硅材料的探测器、调制器等有源器件近几年也取得了一定突破。
一、光子集成
光子集成（PhotonicIntegratedCircuits简称：PIC）也叫光子集成电路。以介质波导为中心集成光器件的光波导型集成回路，即将若干光器件集成在一片基片上，构成一个整体，器件之间以半导体光波导连接，使其具有某些功能的光路。如集成外腔单稳频激光器，光子开关阵列，光外差接收机和光发射机等。
现有PIC所采用的基底材料主要包括磷化铟（InP）、砷化镓（GaAs）、铌酸锂（LiNbO3）、硅以及二氧化硅。对于GaAs衬底，其主要适合于生长光通信短波长（850nm）波段器件和一些高速电子元器件；对于InP衬底，则非常适合于制备通信用长波长（1310nm，1550nm）波段器件；而Si衬底，在微电子器件方面已经发展得相当成熟。
1.1光子集成的分类及比较
根据集成的元器件数量，光子集成可分为小规模PIC、中等规模PIC和大规模PIC，通常指单片集成的功能元器件数量在10个以内、10~50个和超过50个。大规模PIC是未来主流的发展方向。
光器件中分为有源光器件和无源光器件。无源器件用来进行光信号的传输，或者通过方向性进行“信号放大”，有源器件一般用于发射、接收、放大、变换光信号等。目前，无源PIC一般采用硅作为材料，有源PIC一般采用InP、GaAs等化合物半导体为材料。根据集成的元器件是否采用同种材料，PIC可以分为混合集成和单片集成。单片集成又可以分为有源PIC和无源PIC。
1.单片集成：单片集成是经过相同制作工艺，将不同元器件集成在同一衬底上的一体化技术，实现起来有较大技术难度，但具有结构紧凑、尺寸小、功耗低、可靠性强等优势，是PIC的发展方向。
1)无源PIC：全部由无源元器件组成，例如波导、分波/合波器、光开关、可调光衰（VOA）等。无源PIC技术相对简单，目前最常用的是平面波导（planarlightwavecircuit，PLC）技术，业界通常将PLC技术等同为无源PIC技术。
2）有源PIC：全部由有源元器件组成组成，例如有源元器件有LD、PIN探测器、调制器、光放大器等。目前多采用InP、GaAs等化合物半导体为衬底材料，通过金属有机物气相外延（MOCVD）或分子束外延技术（MBE），结合刻蚀技术来实现集成。
2.混合集成：集成器件中包含了有源、无源器件，该技术需要在同一个衬底上制作无源、有源器件，因此该方法更加复杂。，它的优势是能够实现无源光波导与有源器件之间较自由的结合。然而，不同元器件间需要精密的位置调整与固定，加之不同材料在光学、机械和热特性等方面存在差异，都将加重封装的复杂性和成本，并限制集成规模。
相对而言，目前无源PIC技术更为成熟，商用化程度较高，成本也相对更低，通常见到的AWG、基于PLC的ROADM都是无源PIC技术的产物。

1.2光子集成发展及进展

图1.光子集成发展历程
PIC的概念最早由贝尔实验室的MillerSE在1969年提出，受制于固有技术问题，PIC商品化的进程十分缓慢。概念提出25年后，才出现了只集成无源器件的小规模PIC产品。35年后，大规模PIC才取得重要突破，代表性产品即Infinera的100Gbit/s光发射和接收芯片。近几年，随着技术的逐渐积累以及产业需求的旺盛，PIC产业才进入较快发展时期。目前，中小规模PIC已经成熟并取得广泛商用，常见的产品主要有无源PIC，如光分路器、AWG、光开关阵列、VOA阵列等以及有源PIC，如激光器与电吸收调制器集成产品（EML）、激光器与马赫—曾德尔调制器集成产品、激光器阵列和探测器阵列等，Finisar、JDSU、NeoPhotonics等业界主流的光器件厂商均有成熟产品。Infinera是大规模PIC技术及产业的引领者，其第三代产品已达到500Gbit/s的速率，可实现超过600个元器件的单片集成，下一代产品将瞄准1Tbit/s。
1.3光子集成的制备工艺
在制作工艺方面，铌酸锂和玻璃波导主要基于扩散、离子交换或质子交换工艺。硅材料和Ⅲ-V族化合物半导体主要基于半导体制造工艺。硅材料的制备技术主要包括：热氧化和等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺。Ⅲ-V族化合物半导体材料制备技术主要包括：传统的气相外延（VPE）、液相外延（LPE）、分子束外延（MBE）和金属有机化学气相沉积（MOCVD）工艺，其中，MOCVD由于生产设备相对简单、造价低、可按任意比例控制合成材料、适合规模生产等优势，得到学术和产业界的广泛认同。
二、硅基光子集成
硅基光子集成按材料和制造工艺可分为单片集成和混合集成两类.单片集成是目前比较常见的一类硅基光子集成,指在同一硅晶圆上利用半导体制造工艺技术,使多个相同或不同功能的硅基光子器件在整体上构成阵列化、模块化的单个芯片,以此实现基于硅光子单元的一种或多种光学信息处理功能,即同一芯片上光子器件的平面集成.混合集成主要所要实现的功能目标与单片硅基光子集成基本相似,但所用材料通常为多个孤立的半导体衬底,且往往包含不同体系的材料,如III-V族半导体材料、铁电体材料、有机聚合物、液晶等,将这些具有不同功能不同材料的芯片用焊接或键合技术在物理上组成一个整体而实现一个完整的功能。
2.1单片集成
单片集成里通常会用到硅上锗材料，例如锗—硅调制器和锗光探测器。同时锗基晶体管对于今后的硅基光电集成也是十分有益的。此外也有人提出利用硅基上锗应变来改变锗的带隙结构,使其成为直接带隙材料而能够发光]。可见不论是在现在的探测器,还是今后的硅基光电集成或IV族材料发光上,硅上长锗是其重要基础工艺，由于两者之间存在4%的晶格失配，锗生长过程中会在晶格内生缺陷而形成非辐射复合中心，进而降低器件性能。于是有人用低温下两步生长锗的方法来生长锗，其中低温锗作为缓冲层以减少缺陷。在2013年GFP会议上，有很多研究机构报道了其利用相关的硅基上锗外延工艺制作了硅上锗器件,如NTT公司生长锗探测器的方法是先用超高真空气相沉积,然后900°C下退火而成,其结构示意图如图2所示。

2.2混合集成
随着硅基光子集成的逐步发展以及人们对硅基光子集成的需求不断提升，单纯的单片硅基光子集成已经不能够满足人们的需求。混合集成是将具有不同功能、不同材料的芯片，如Ⅲ-V族激光器、调制器、探测器，通过焊接或键合技术在物理上与硅材料组成一个整体。混合硅基光子集成以其实现途径简便灵活及器件间的制作相互独立的优点而在硅基光子集成中占据一席之地。同时它也极大地拓宽了硅基光子集成的发展空间，使硅基光子集成系统在技术进步方面获得了新动力。特别是在硅基发射模块中，由于间接带隙的硅难以发光，因此在发光模块中通常会与III-V族或其他材料混合集成。
目前，键合技术主要有直接键合SiO2/SiO2中间层键合和苯并环丁烯(BCB)胶粘剂键合三种方式。
直接键合工艺简单成熟，键合强度大。然而键合强度很大程度上依赖于晶片表面的洁净度、粗糙度、粗糙度需小于1nm，并需要对晶片表面进行活化处理。同时在完成预键合后需要在超低真空条件下进行退火处理，整个工艺过程十分复杂，并且对设备有很高的要求，另外对键合材料的选择也有较大的限制。
SiO2/SiO2中间层键合实际上也是一种直接键合的方法，不同的是它在键合之前分别在两个待键合晶片表面生长了一层SiO2。它的优点在于键合强度大，能精确控制中间层的厚度，并对材料性能影响较小。然而与直接键合类似，SiO2/SiO2中间层键合对热氧化和等离子体化学气相沉积(PECVD)的SiO2层的表面粗糙度要求高，对晶片表面要进行严格的处理，并且对处理的环境要求高。
BCB键合法在工艺难度和要求上都明显简单许多，,而且还能保持较好的键合界面平整度和较少的界面空位。同时，键合温度低，受界面粗糙度和洁净度的影响较小，键合得到的界面空位少，并且它还可以在有结构的晶片表面进行键合。利用这个特性，我们可以实现SOI波导结构和Ⅲ-Ⅴ族半导体材料有源器件的集成。这个方法也彻底突破了不同材料间键合的限制，能灵活自如地运用于各种器件的集成，同现有的工艺技术完全兼容，是一种十分具有发展前景的键合方法。
下面主要介绍一下苯并环丁烯(BCB)胶粘剂键合法，苯并环丁烯(benzocyclobutene,简称BCB)是一种目前较常用的圆片级有机粘结材料，通常用于微电子机械系统(MEMS)器件中的粘结工艺，近年来开始用于圆片级键合。它是一种有机高分子聚合物，综合性能优异，具有低的介电常数，长波范围内的光学损耗低。在较低的温度下固化后，它具有非常好的化学稳定性、热稳定性和高的平整度。其键合过程如图3所示：

2.3光电集成
硅基光子集成之后的下一步目标是硅基光电集成，不仅将光子器件集成在一个模块上，还要包括电子器件。相比于光子集成，光电集成要求更高。目前光电集成多用于集成有源光子器件和其外部驱动电路。
2013年Luxtera公司[10]提出用硅光子学实现光互连应用中的光电一体化集成，他们将芯片分为光子芯片和电子芯片，用微小铜柱将两个芯片倒装焊粘连到一起。如图4所示。这里MZI为马赫-曾德尔干涉仪，以铜柱作为光学器件与电学驱动器件之间的连接元件可以充分减小电容的寄生效应，这样做不仅保持了光子芯片和电子芯片各自的优势，也保证了其应有的可扩展性以应对未来的数据速率和功耗要求。

结语
硅光子学中成熟的CMOS工艺为光子集成回路制造提供了极好的技术基础。而基于人们的要求，下一步硅基光子的发展趋势将是更高速率、更低功耗以及更集成化。目前人们对于硅基光子集成方面的研究工作仍然比较多，下一步研究工作将不仅局限于硅基单片集成，而要逐渐扩展到硅基混合集成和硅基光电集成，并且日后硅基光电集成将作为硅基光子学发展的更高目标。