光子器件技術(shù)的新興之用

光子器件技術(shù)在激光掃描和打印、電信和工業(yè)材料加工等應(yīng)用中存在已久。近年來，發(fā)光二極管(LED)照明得到了大規(guī)模應(yīng)用。激光器、光電探測器、microLED和光子集成電路(PIC)等光子器件成為一系列新技術(shù)的構(gòu)建模塊，包括人臉識別、3D 傳感和激光成像、檢測和測距(激光雷達(dá))等。為了滿足當(dāng)今的應(yīng)用需求，這些技術(shù)需要?jiǎng)?chuàng)新的器件架構(gòu)、新材料開發(fā)、材料的單片和異構(gòu)集成、更大的晶圓尺寸和單晶圓加工。

引言

硅一直是所有半導(dǎo)體IC技術(shù)的支柱，它使電子技術(shù)從計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、智能手機(jī)，再到現(xiàn)在的人工智能和 5G 的發(fā)展成為可能。然而，對于某些應(yīng)用來說，光子器件技術(shù)更能滿足技術(shù)和環(huán)境要求。

砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)和氮化鎵(GaN)等化合物半導(dǎo)體具有直接能量帶隙以支持激光和LED 等光子器件技術(shù)。利用磷砷化銦鎵(InGaAsP)材料的1.3μm和1.5μm單模激光器，可搭建出極其高效的光纖通信系統(tǒng)，如今已在使用。

隨著基于砷化鎵和氮化鎵的可見光LED技術(shù)的進(jìn)步，照明行業(yè)已經(jīng)生產(chǎn)出高效、高亮度的LED產(chǎn)品，用于室內(nèi)外照明、汽車照明和顯示器。除了能效之外，LED還為照明設(shè)計(jì)師提供了更大的自由度，這一點(diǎn)可從最新的汽車大燈設(shè)計(jì)窺見一斑(圖 1)。

圖 1. 高亮度 LED 被應(yīng)用在新近的汽車大燈設(shè)計(jì)中

新興光子應(yīng)用

光子被認(rèn)為是3D傳感、自動(dòng)駕駛車輛和光互連等新興技術(shù)的重要賦能者。正如電子一直是設(shè)計(jì)機(jī)器“大腦”的支柱一樣，光子將“視覺”賦予未來機(jī)器，激光將是這些光子的來源。

3D傳感

隨著智能手機(jī)越來越多用于計(jì)算，手機(jī)上保留的個(gè)人信息也日益增多，這就需要嚴(yán)格的安全設(shè)置，而不僅限基于指紋識別和二維虹膜掃描的身份驗(yàn)證。繼蘋果公司2017年在iPhone X中推出人臉識別功能后，垂直腔面發(fā)射激光器 (VCSEL)近年來在消費(fèi)市場上引起了相當(dāng)大的關(guān)注。VCSEL將數(shù)以萬計(jì)的激光束照射在用戶的臉上，然后收集這些激光束，生成面部的3D 深度圖，為該用戶創(chuàng)建獨(dú)特的識別圖像(圖 2)。

圖 2. VCSEL 是用于設(shè)備人臉識別技術(shù)的基礎(chǔ)

一家領(lǐng)先的消費(fèi)產(chǎn)品制造商的最新產(chǎn)品擴(kuò)展了這一技術(shù)，采用了飛行時(shí)間激光傳感器，利用 VCSEL對幾米外的場景進(jìn)行閃光，借助深度信息創(chuàng)建該空間的3D 圖像。例如，現(xiàn)在能以虛擬形式將家具或藝術(shù)品放置在一個(gè)空間中，以便在購買前查看使用效果。為了眼睛的安全，如今的技術(shù)在波長范圍上是受限的，但我們可以預(yù)期未來會發(fā)展到更長的波長，并適用于更多的設(shè)備，包括智能手機(jī)。

光互連

傳統(tǒng)形式的數(shù)據(jù)中心消耗了當(dāng)今世界2%以上的電力，而全球數(shù)據(jù)流量預(yù)計(jì)每四年就會翻一番。未來，使用電子分組交換機(jī)在機(jī)架之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸將無法同時(shí)滿足帶寬和能耗的要求。數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)模式向云計(jì)算轉(zhuǎn)變，未來幾年將涉及更大量的數(shù)據(jù)處理和傳輸(圖 3)。

圖 3. 云計(jì)算將加劇數(shù)據(jù)中心能耗的挑戰(zhàn)

目前正在開發(fā)基于硅光子和磷化銦光子集成電路(PIC)的光互連技術(shù)，以應(yīng)對數(shù)據(jù)中心面臨的這些挑戰(zhàn)。100GbE的收發(fā)器模塊已經(jīng)進(jìn)入市場，并在穩(wěn)步推向400GbE和更高的水平。與常規(guī)的電子相比，硅光子能夠?qū)崿F(xiàn)更快、更遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)還可以利用上半導(dǎo)體激光器以及大批量硅制造的效率。

激光雷達(dá)

汽車行業(yè)除了電氣化之外，下一個(gè)大的范式轉(zhuǎn)變就是自動(dòng)駕駛。今天的三級自動(dòng)駕駛，需要高度精密的照明、檢測、感知和決策系統(tǒng)無縫協(xié)同工作(圖 4)。激光雷達(dá)的高分辨率、3D成像能力和超過200米的可探測范圍，與基于雷達(dá)或攝像頭的解決方案形成鮮明區(qū)別，已被廣泛認(rèn)為是自動(dòng)駕駛的最佳解決方案。

圖 4. 自動(dòng)駕駛汽車的安全運(yùn)行需要許多不同系統(tǒng)的無縫協(xié)作。

激光雷達(dá)有905nm和1550nm兩種頻率選擇。其中905nm是首選，因其具備完善的激光器和光探測器生態(tài)系統(tǒng)。不過，由于1550nm的范圍更廣，而且眼睛的安全極限是905nm的40倍，因此業(yè)界正在對其積極研究。當(dāng)前正在評估的光束轉(zhuǎn)向技術(shù)，包括機(jī)械旋轉(zhuǎn)、MEMS和光學(xué)相控陣。機(jī)械旋轉(zhuǎn)在可靠性方面存在很大的問題，而基于MEMS的光束轉(zhuǎn)向技術(shù)近來作為三級先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)的選件出現(xiàn)在多款汽車上，但在射程和視野上有限制。用于光束轉(zhuǎn)向的固態(tài)光學(xué)相控陣處于早期開發(fā)階段，其在性能、成本和外形尺寸方面具有不錯(cuò)的前景，除了自動(dòng)駕駛之外，還可被應(yīng)用在更多方面。為了滿足激光雷達(dá)系統(tǒng)在成本和性能上的要求，需要在大批量制造中運(yùn)用異構(gòu)集成或共同封裝激光器、探測器和光束轉(zhuǎn)向芯片。如今，基于MEMS的激光雷達(dá)技術(shù)在滿足這些工業(yè)要求方面展現(xiàn)出喜人的前景。

MicroLED

除了在電視、智能手機(jī)和智能手表等現(xiàn)有設(shè)備中實(shí)現(xiàn)更高的分辨率外，microLED技術(shù)還可能用于打造令人興奮的新產(chǎn)品，如圖5 所示的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)(AR/VR)產(chǎn)品。這些新的應(yīng)用需要自發(fā)光的紅綠藍(lán)(RGB)顯示，而不是色彩轉(zhuǎn)換或過濾。這里涉及的挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn) RGB microLED 裸片所需的量子效率，將 microLED經(jīng)濟(jì)高效地巨量轉(zhuǎn)移到背板上，以及測試每個(gè)單獨(dú)的 microLED。創(chuàng)新的器件設(shè)計(jì)、外延生長優(yōu)化、襯底工程、裸片轉(zhuǎn)印方法和新的背板架構(gòu)正在研究和開發(fā)中，以使 microLED 技術(shù)可與現(xiàn)有的液晶顯示器(LCD)及有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)技術(shù)相競爭。

圖 5. AR/VR 應(yīng)用是受益于 MicroLED 技術(shù)的消費(fèi)產(chǎn)品之一

器件技術(shù)

實(shí)現(xiàn)這些新興光子應(yīng)用的關(guān)鍵器件技術(shù)是基于砷化鎵和磷化銦的激光器、硅和砷化鎵銦(InGaAs)光電探測器、MEMS器件、氮化鎵和砷化鎵LED、硅和氮化硅(SiN)波導(dǎo)以及光學(xué)調(diào)制器。對于3D傳感應(yīng)用，砷化鎵激光器件正從100mm的襯底轉(zhuǎn)向150mm的襯底。用于高亮度應(yīng)用的砷化鎵和氮化鎵 LED分別在150mm砷化鎵襯底和藍(lán)寶石襯底上投產(chǎn)。不過，在某些應(yīng)用中，microLED的應(yīng)用正在推動(dòng)對硅襯底上RGB LED的需求。磷化銦激光二極管是在75mm和100mm 磷化銦襯底上生產(chǎn)的?；衔锇雽?dǎo)體器件通常在批量反應(yīng)器中進(jìn)行加工，但制造重點(diǎn)越來越多地放在提高良率和晶圓內(nèi)均勻性以及增強(qiáng)工藝控制上，這相應(yīng)地推動(dòng)了向單晶圓加工設(shè)備的過渡。

目前，用于光束轉(zhuǎn)向技術(shù)的MEMS器件依賴于200mm硅MEMS生產(chǎn)線。硅光子技術(shù)主要在200mm絕緣體上硅(SOI)平臺上運(yùn)行，并不斷推動(dòng)向300mm晶圓過渡，以解決200mm 光刻和刻蝕等設(shè)備的技術(shù)限制。具有高電光系數(shù)的薄膜技術(shù)一直在研究之中，以擴(kuò)展光互連的速度和帶寬包絡(luò)。

上述光子應(yīng)用預(yù)計(jì)在未來5-10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)巨大的增長。3D 傳感、激光雷達(dá)、光互連和AR/VR顯示，這四大關(guān)鍵應(yīng)用的市場規(guī)模預(yù)計(jì)將以31%的復(fù)合年增長率，從2020年的80億美元增長到2025年的233億美元(圖 6)。3D 傳感技術(shù)正在尋求新的應(yīng)用，而激光雷達(dá)和AR/VR顯示器還處于早期發(fā)展階段，預(yù)計(jì)將以更高的復(fù)合年增長率增長。光電子應(yīng)用的增長將需要解決器件技術(shù)在性能、制造和系統(tǒng)集成方面的挑戰(zhàn)。如今，各種力量正在推動(dòng)對新工藝設(shè)備的需求，這些設(shè)備不僅要能解決器件性能上的難題，還能實(shí)現(xiàn)卓越的工藝控制，提高整體制造良率。

圖 6. 新興的光子應(yīng)用將實(shí)現(xiàn)巨大增長(資料來源：Yole Développement 報(bào)告)