硅基化合物异质集成技术

刘思旸，丁琪超，吴蓓蓓，王涛，李振，胡昌宇，九峰山实验室

硅基半导体作为现代微电子产业的基石，其遵循摩尔定律在集成电路中的发展已接近物理极限。相比之下， 在高频、高温等方面具备功能性优势，在功率电子、短距通信、无线射频等领域有着重要优势。随着超越摩尔定律对于功能性集成的需求，先进集成技术被认为是未来信息技术高速发展过程的必经之路，其中硅基化合物异质集成技术既能充分发挥硅基材料的先进成熟的工艺技术及大规模集成带来的低成本优势，又能发挥化合物材料在带宽、功率等方面的功能性优势。

硅基化合物异质集成技术的发展从集成方式上来看主要可以分为三种，芯片级封装堆叠、晶圆级混合集成和晶圆级单片集成。目前工业界主要采用芯片级封装堆叠，其集成度较低但技术共性度较高，能够快速满足于多材料多功能芯片集成需求。晶圆级单片集成是指在硅基衬底上通过直接外延生长异质化合物材料，集成度最高但开发周期及难度极大。而晶圆级混合集成能够兼具技术共性度和集成度，九峰山实验室作为产业级研发平台，将重点瞄准该集成方法的研究。

为解决硅基半导体材料的功能性缺失和性能瓶颈两大问题，我们需要在硅基平台上实现激光材料、电光材料、磁光材料、二维材料等功能性材料的异质集成。本文将以硅基光电子技术领域中的异质集成为例，分别针对不同材料的异质集成技术发展现状做简要介绍，并对未来发展作展望。

硅基激光材料异质集成技术

目前硅光主流应用市场在数通领域，但硅基材料在通信波段发光效率低下，为解决这一功能性缺失问题，在2005年左右最先由Intel公司联合美国UCSB大学提出硅基与III-V族半导体材料晶圆级异质键合集成方案，实现硅基材料体系的片上出光。该方案采用低温亲水键合方式实现晶圆与晶圆的直接键合^[1,2]，如图1所示。基于此键合方案以及后续的III-V族半导体工艺加工，实现了单波长分布式反馈（DFB）激光器、外腔可调窄线宽激光器、多波长梳状谱激光器等多种异质集成激光器，以及半导体放大器、探测器等其他功能器件。随着技术的不断演进，可键合的III-V族材料不局限于InP、GaAs，工作波长也从传统通信波段延伸至中红外甚至远红外波段。美国 Intel 公司于 2016 年基于该技术已开发出 100 Gb/s 4 通道硅光模块，至 2021 年已发货500 万颗以上。

新加坡IME^[3,4]、比利时Ghent大学^[5]和美国HPL^[6]也使用了相近的键合方式和原理，其中HPL将InAs/GaAs材料集成在硅晶圆上，成功实现了片上的量子点频率梳激光器，也实现了MOSCAP型调制器。目前行业内并没有成熟的O波段密集波分复用（DWDM）光源，量子点频率梳光源非常适合作为DWDM系统的光源，但是还存在很多工程问题有待解决，工艺还需要进一步优化。

此外，为解决键合工艺与硅基后段工艺的兼容性问题，法国Scintil photonics 公司提出了一种在硅光晶圆背面集成III-V族半导体的异质集成方案^[7]，如图2所示。采用SOI晶圆的二氧化硅掩埋层（BOX）层的背面作为键合界面，III-V族半导体的键合过程与正面硅光器件充分解耦。该键合方式键合界面质量相比传统平坦化工艺更好，且不影响其他材料与SOI晶圆的混合集成。该公司基于此项技术开发了混合集成DFB激光器，阈值和输出功率与传统三五族激光器水平相当。

硅基电光材料异质集成技术

随着相干模块市场对调制带宽要求的不断增加，硅基电光调制器件已接近性能瓶颈。铌酸锂（LN）材料基于Pockels效应，相比采用载流子色散效应的硅材料，具有更高的电光调制系数，从而能够实现更高调制带宽。薄膜铌酸锂（TFLN）可以进一步压缩光模场面积，缩小电极间隔从而降低调制器驱动电压，因此近期成为研究热点。

LN单晶薄膜相对较硬，难以刻蚀形成小尺寸高集成度的波导结构。为了克服这种局限性，多家科研机构开发出键合的方式与硅基波导集成，形成混合波导结构,大部分刻蚀都在硅平台完成。目前基于键合工艺的铌酸锂混合波导包括两种典型结构，一种是铌酸锂薄膜无需刻蚀，如硅/氮化硅波导与铌酸锂薄膜键合；另一种是铌酸锂需要刻蚀波导，如硅光波导与铌酸锂波导异质集成。

美国UCSD大学采用第一种键合结构，分别实现了硅波导与LN薄膜键合，以及氮化硅波导与LN薄膜的键合^[9]。对于硅波导与LN薄膜键合，其采用了无中间层直接键合方式，通过优化硅波导结构和行波电极结构，其成功实现了TFLN混合集成高带宽低损调制器，工作带宽达110 GHz。

为了进一步降低传输损耗，美国UCSB大学也开发了氮化硅波导与LN薄膜的键合^[10]。氮化硅材料损耗比硅更小、具有更宽的透明窗口、双光子吸收效应弱，此外氮化硅折射率与LN相当，耦合损耗低。基于该技术，UCSB实现了低损耗混合波导结构，与体式LN波导的损耗相当。下一步需要重点解决的问题是如何将基于氮化硅的混合波导与硅光其他器件集成。

国内中山大学采用第二种键合结构，将LN薄膜键合到已经完成硅波导刻蚀的绝缘体上硅（SOI）芯片上，然后刻蚀LN薄膜形成LN脊波导结构，实现了LN-on-SOI的两层波导互连异质集成结构^[11]，如图3所示。该结构采用苯并环丁烯（BCB）作为键合中间层，成功实现了112 Gb/s的高速马赫曾德尔调制器。

硅基磁光材料异质集成技术

光隔离器可实现光的单向通过，是光收发模块中的必需器件之一。硅基材料无法制备出高效隔离器件，商用产品一般基于磁光材料的法拉第旋光效应实现，通过在钆镓石榴石（GGG）衬底上外延稀土掺杂钇铁石榴石（YIG）磁光晶体厚膜制备。

目前主流硅基YIG集成方案包括晶圆键合和单片直接沉积。晶圆键合可以利用高质量的外延单晶YIG薄膜，然而YIG与硅波导的键合界面质量难以控制，且器件尺寸较大，结构设计受限。单片直接沉积可以解决上述问题，但沉积材料的结晶性难与单晶外延薄膜相比。

晶圆键合方案的代表研究单位包括日本东京工业大学^[12]和美国UCSB^[13]等，报道的光隔离器隔离度可达30 dB。此外，欧洲微电子中心（imec）也报道了采用BCB作为键合媒质的晶圆键合方案^[14]。单片直接沉积方案的代表研究单位包括中国电子科技大学^[15]、美国麻省理工学院^[16]、美国明尼苏达大学和英国格拉斯哥大学^[17]等，报道的光隔离器隔离度可达30 dB，接近商用产品。

硅基二维材料异质集成技术

与传统的半导体材料相比，二维材料具有卓越的光电性能，如超高的载流子迁移率、超高导热率和高三阶非线性系数等。为进一步提高硅基光电子器件集成度及突破器件的性能瓶颈，业界也在研究如何将二维材料引入硅基材料体系。

石墨烯是一种由碳原子按六角形蜂窝状排列组成的单原子层平面结构，在2004年被英国曼彻斯特大学的Novoselov等首次通过机械剥离法分离出来。石墨烯与硅基光电子平台异质集成主要用于石墨烯的调制器、探测器和光交换器，它们具有高速率、大光学带宽、低功耗和与硅的CMOS电路单片集成的优势。用于制作片上石墨烯调制器、探测器和光交换器的工艺流程都是非常相似的。基于石墨烯的大光学带宽特性，石墨烯与硅波导结合的工作波段在传统的光通信窗口，与氮化硅波导结合可用于近红外波段。

在石墨烯光电调制器方面，通过外加电压调节石墨烯的费米能级，将引起石墨烯折射率实部和虚部的变化，可以实现相位和强度调制。加州伯克利的学者提出了基于硅波导的石墨烯电吸收调制器，通过调节单层石墨烯的费米能级，实现了1.2 GHz的光电调制带宽^[18]。意大利光子网络与技术国家实验室的学者提出了一种石墨烯-绝缘体-硅的电容型相位调制器，光电带宽为5 GHz^[19]。

在石墨烯光电探测器方面，利用了光电热效应的超快动力学，德国Aachen高级微电子中心的研究员已经实现了超过180Gb/s石墨烯光电探测器，其光电带宽可达128 GHz^[20]。麻省理工的研究学者提出了一种基于六方氮化硼包裹的单层石墨烯光电探测器，实现了42 GHz光电带宽^[21]。这类器件不需要使用跨阻抗放大器（TIA）来实现电流向电压的转换。

目前在硅基平台上集成石墨烯在工艺上仍然存在巨大的挑战，主要的问题是实现大面积的石墨烯材料的高质量转移、低电阻接触、低电压和无磁滞电介质材料的填充。

硅基化合物异质集成技术展望

后摩尔时代下，硅基半导体技术发展路线可分为器件尺寸持续微缩的“延续摩尔”（more Moore）路线和利用异质异构集成的“扩展摩尔”（more than Moore）路线。相比于硅基半导体， 在模拟信号处理及各类功能性应用中有着独特优势。多年来，学术界和工业界对硅基化合物异质集成技术的研究与探索从未停止，九峰山实验室也将硅基化合物异质集成技术的研究任务摆在首位：

1.      异质集成是后摩尔时代的重要技术方向；

2.      硅基化合物异质集成是硅基半导体和 未来发展的必经之路；

3.      高精度晶圆级键合集成技术可以帮助实现多材料多功能的系统性集成。

目前，国外多家硅基平台已经对外发布硅基化合物异质集成研究成果，Tower Semiconductor公司更是已经对外提供硅基InP集成PDK。Intel公司利用其自身的传统CMOS产线降低生产成本，通过多年的技术开发，是目前唯一一家利用硅基III-V族光电异质集成技术实现数据中心100 Gb/s光模块大批量出货的公司；其开发该技术的真正目的是为扩展摩尔和超越摩尔技术路线进行技术储备，以实现其处理器的片上光互联，达到未来光电集成芯片的技术引领。美国苹果公司预计在其下一代智能手表中采用硅光III-V异质集成技术，有望为硅光异质集成拓展到消费电子市场。

鉴于国际硅基化合物异质集成技术研发与产业化态势，我国也迫切需要在该领域加速从研发走向应用与产业化。目前国内从事硅基化合物异质集成技术的商业机构较少，主要原因由两点，其一是该技术门槛较高且研发投入大，传统企业普遍对这一新兴技术路线持观望态度，其二是国内缺乏一条可以支持硅基化合物异质集成的成熟工艺线。从可以预见的光通信应用到消费类传感应用及未来的光计算、光量子应用来看，硅基光电异质集成技术的市场需求才刚刚起步，未来有着广阔的发展空间。

九峰山实验室针对技术发展方向和产业需求痛点，积极开展8吋硅基化合物异质集成平台能力建设，已建成产业研发级的基础设施，布局功能全面和性能先进设备资源。面向硅基光电子产业中的异质集成需求，基于实验室自身的8吋多材料键合和配套全流程工艺能力，填补当前该工艺段研发平台的空缺。九峰山实验室积极拓展合作伙伴，期望同全行业一起，构建集成光电子领域技术领先。

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