硅基光电子异质集成的机遇与挑战

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引言
硅基光电子技术是集成光学领域的革命性技术，利用了微电子行业成熟的制造工艺。本文探讨了硅基光电子技术的发展历程、当前状况，以及异质集成在扩展其能力和应用方面日益增长的重要性[1]。

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7 ^/ ~' y7 {5 I- |8 q硅基光电子技术的诞生与发展
5 b9 l+ z0 A" Z+ R硅基光电子技术的旅程始于20世纪80年代，当时开发出了在1.3和1.55μm波长下工作的硅基波导，这些波长对光纤通信很重要。随后出现了几个重要的里程碑：

20世纪90年代初，利用硅绝缘体（SOI）晶圆创造了高折射率对比度的硅波导。

21世纪初，通过深紫外（DUV）光刻技术展示了低损耗的SOI波导。

开发出实用的光纤到芯片的耦合结构。

通过在硅上外延生长锗，实现了波导集成的光电二极管。
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4 H* g( X% M! X$ A图1展示了基于SOI的硅基光电子关键构建模块的性能演变。这张图显示了硅基光电子技术在各个方面的改进，包括波导损耗、调制器带宽和光电探测器带宽。
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! x2 ?* D8 e+ A% F5 |硅基光电子技术的当前状态
& |. O! Q6 L) r7 x+ L$ t$ H如今，硅基光电子已发展成为一个成熟的技术平台。全球多家互补金属氧化物半导体（CMOS）代工厂、集成器件制造商（IDM）和研究机构已在200或300毫米晶圆上开发出成熟的SOI光电子集成芯片制程。这些平台成为实现用于数据中心和电信应用的紧凑、成本效益高的高速收发器的载体。
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: c; s3 \7 y9 ~% s; O0 V! G, S% s# A9 E硅基光电子技术的主要应用包括：
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用于数据和电信网络的高速收发器（100-400 Gb/s）。

将高速数字电信号转换为光信号，用于光纤传输。
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2 C$ J% _% i( G/ |" P3 O+ f. Y: k市场前景和挑战
硅基光电子技术在光通信领域取得了显著成功，但从半导体行业的角度来看，市场规模仍相对较小。然而，增长潜力巨大：

市场分析师预测收发器市场将实现两位数增长。

技术领导者正在探索人工智能应用的硅基光电子解决方案。

硅基光电子正在扩展到各种新市场和应用领域。
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硅基光电子新兴应用包括：

微波光子技术（如5G无线网络）

光探测与测距（LIDAR）

神经形态计算

量子计算

增强现实（AR）和虚拟现实（VR）

环境和工业传感

医疗传感
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对异质集成的需求
7 E+ q. C: ?- r) {  W随着硅基光电子扩展到多样化的市场，对新功能和增强性能的需求不断增加。这种需求推动了异质集成的探索—将新材料、芯片和薄膜chiplet集成到硅基光电子平台中。
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( S2 J$ e+ @$ V1 a! V  V异质集成的主要驱动因素包括：

波长多样性：不同应用需要在各种波长下运行，从可见光到中红外。

性能增强：克服基于SOI平台由于物理限制或制造缺陷造成的限制。

新功能：集成光源、光隔离器和非易失性构建模块等组件。
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回顾图1，我们可以看到集成新材料（由实线表示）如何将基于SOI的硅基光电子平台的性能提升超越了原有能力（由虚线表示）。

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异质集成技术
1 {* x1 ^5 E3 y# k6 A/ ~硅基光电子中已开发出几种异质集成方法：

在硅基光电子晶圆上附加微光学平台（MOB）

III-V族芯片倒装焊接

未加工外延层堆栈的芯片到晶圆或晶圆到晶圆键合

加工后III-V族薄膜chiplet的微转移印刷

III-V族材料在硅上的单片直接外延生长
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其中，第一种和第三种技术已经发展到可以进行较大规模工业化生产的程度。
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异质集成材料
硅基光电子异质集成正在探索多种材料：

III-V族半导体（基于InP、GaAs、GaN或GaSb）

电光材料（铌酸锂、钛酸钡、极化有机聚合物）

二维材料（如石墨烯）

稀土掺杂氧化物

磁光材料（如Ce:YIG）

压电材料（如锆钛酸铅 - PZT）

相变材料（如Ge2Sb2Te5 - GST）

液晶
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异质集成的挑战
7 I1 j. v) r7 R虽然异质集成提供了众多机会，但也面临重大挑战：
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经济可行性：为多种材料组合开发和维护制造工艺流程成本高昂，特别是对于小众应用。

工艺兼容性：某些材料可能由于污染问题而不被CMOS环境接受。

热预算限制：某些材料的集成可能由于温度限制而影响整体工艺流程。

供应链复杂性：材料和工艺的多样性可能需要一个包含多个专业代工厂的新供应链模型。
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新供应链模型
为应对这些挑战，硅基光电子行业可能朝向更分散的制造模式发展：
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前端工艺处理：执行适用于多种用途的通用工艺流程的代工厂。

专业材料准备：准备特殊材料晶圆、芯片或chiplet的设施。

异质集成和后处理：专门执行实际集成和相关晶圆级后处理的代工厂。
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这种模式需要：

标准化制造过程不同阶段之间的接口。

开发中间产品的可靠规格和测试方法。

创建一个可靠灵活的供应链，能够支持各种异质硅基光电子芯片。
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未来展望和建议
硅基光电子的未来在于通过异质集成适应多样化的市场需求。为促进这一演进，建议采取以下步骤：

投资研究制造过程不同阶段之间接口的标准化和测试方法。

开发灵活模块化的工艺流程，允许多种材料的异质集成，并尽量减少定制需求。

探索后端集成技术，以最小化对现有前端工艺的影响。

促进供应链不同环节之间的合作，创建更加集成和高效的生态系统。

继续研究新材料和集成技术，扩展硅基光电子平台的能力。
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. @2 g. q; |& E* ], g5 h# L结论
) ^  m( c. Z" o$ D异质集成对硅基光电子行业既是重大机遇，也是巨大挑战。通过采用这种方法，硅基光电子可以扩展到新的市场和应用领域，可能在未来几年推动实质性增长。然而，成功将取决于通过制造工艺、供应链管理和标准化努力的创新来克服技术和经济障碍。
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随着该领域不断发展，多样化材料和技术在硅基光电子平台上的融合将在高速通信、传感和计算等领域带来新的可能性。通过解决异质集成的挑战，硅基光电子行业为下一代光电子集成芯片铺平道路，推动多个领域的创新，并巩固其作为未来关键使能技术的地位。

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参考文献
1 F0 a; j2 W6 c[1] R. Baets and A. Rahim, "Heterogeneous integration in silicon photonics: opportunities and challenges: opinion," Opt. Mater. Express, vol. 13, no. 12, pp. 3439-3444, Dec. 2023.

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