2023 年 06 月 29 日

范 語瑄

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四大技術各有新突破　矽光子整合難題有解

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# 四大技術各有新突破　矽光子整合難題有解

光子積體電路(Photonic Integrated Circuit, PIC)在單一晶片上整合了多種光電功能，其應用涵蓋各個領域。從負責光達系統(LiDAR)偵測功能的高速光學收發器，到光譜分析感測器，都包含在內。為了降低這些光子晶片的量產成本，矽光子技術(Silicon Photonics, SiPho)採用了以矽材料為基礎的製程技術。

目前有些光學功能已被整合在矽光子晶片上，例如調變與偵測功能，但因為矽材料本身的發光效率很差，所以用三五族材料，例如磷化銦(InP)或砷化鎵(GaAs)來製造發光源，是很常見的做法。但這也使光源必須以獨立封裝的外部元件形態存在，很難整合到矽光子晶片上。

然而，盡可能將光源跟矽製程整合起來，可帶來的優勢是很明顯的。若能如此，我們就可以借用已經很成熟的矽基半導體技術，並利用CMOS製程設備，針對光子元件的功能進行改良。

此外，有很多應用並沒有足夠空間來容納外部光源(通常是雷射二極體)，例如醫療植入性裝置；也有些應用需要將成本壓得更低，這時候，與其用封裝技術連接多個晶片，在單一晶圓上批量生產成千上百個雷射元件，可以達到更低成本，很多時候還能提高可靠度。

這些因素使得業界一直在探索用矽製程把雷射元件整合到矽光子晶片上的方法。本文將介紹imec正在研究中的四種技術。

## 實現雷射元件整合的四大路徑

要整合雷射元件與矽光子晶片的方法很多。imec目前正在開發四種技術，分別是覆晶技術、微轉印技術，單晶整合技術，以及單晶異質磊晶成長技術。在量產與技術成熟度上，這四種技術處於不同階段。

### ‧覆晶整合技術

在覆晶整合製程中，光發射器全面交由三五族雷射廠商進行製造、切割與測試，隨後，各個雷射晶片循序進行高精度的覆晶製程，接合到目標矽光子晶圓上(圖1)。這些三五族雷射元件與光子電路以直接耦合的方式實現光學連接，雷射鏡面橫向緊鄰矽光子波導的蝕刻平面。這時為了確保光學耦合作用的穩定性與效率，三個維度的對準精度都必須低於微米等級。

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圖1　以覆晶整合製程實現光源與矽光子晶片的整合　(資料來源：Wim Bogaerts)

覆晶整合的顯著優勢在其供應鏈單純且具備彈性，三五族與矽光子元件可以分別外包給多條現有的產線製造。而且隨著市場需求持續增加，越來越多的(委外)封測廠商投資了相關工具與專業技術，現在都能提供覆晶封裝服務。

但這種製程也有其缺點，其中最明顯的是必須按照順序進行，這就限制了產量，長期下來也不利於縮減成本，尤其是需要整合多個三五族元件的晶片應用，對價格會比較敏感。

imec研究團隊與多位開發夥伴緊密合作，正在改良所需的覆晶介面與接合製程。2021年，團隊建立了晶圓級矽光子製程，架設了機械式對準機台，並利用精密蝕刻技術製造光學對接耦合介面。

目前imec團隊所開發出的專用覆晶接合工具，只需要數十秒，就能在對準誤差小於500nm(在平均值正三個標準差的範圍內)，完成三五族元件的置放與接合製程。該製程將分布回饋式雷射元件(DFB Laser)整合到12吋矽光子晶圓上(圖2)，與波導耦合的晶載雷射最終能在1,550nm波段達到20mW以上的輸出功率。

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圖2　將分布回饋式雷射晶粒接合在12吋矽光子晶圓上　(資料來源：imec)

imec團隊還在進一步改良這些製程與設計，目標是將耦合損失盡量控制在遠低於2dB的數值。除此之外，imec也擴展了研究範圍，整合1,310nm與1,550nm波段的反射式半導體光放大器(RSOA)，這些工作波段將能產生更複雜的可調式雷射源，滿足資料通訊與感測領域的進階應用。

### ‧微轉印技術

在微轉印製程中，三五族材料成長於三五族基板上，形成品質優良的晶體結構。如同覆晶製程，其元件堆疊在發展成熟的三五族晶圓代工廠進行沉積，但若使用微轉印技術，這些三五族晶圓上的雷射元件不會切成獨立晶粒，而是利用底切現象，僅以細繩狀的小面積與體晶圓(Source Wafer)接觸，準備進行轉印。接著，壓印模具拾取元件，與原始晶圓分離後，對準矽光子晶圓的波導結構(與覆晶製程相同)並向下接合(圖3)。

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圖3　微轉印製程　(資料來源：Wim Bogaerts)

覆晶製程利用焊錫金屬凸塊，微轉印技術則是以黏膠或分子接合。光源與波導之間的光學耦合作用透過漸消波實現，雷射元件被置於波導結構上方，光源從上向下「滲入」，所以與直接耦合相較，對準容差更高。

轉印技術的優勢是能同時處理多個光源，每次轉印可以處理一千多個元件，所以應該是比覆晶製程產量還要高的方案。對需要在單位面積內整合大量三五族元件的應用來說，是比較理想的選擇。

技術方面也在快速跟進，持續突破。imec不久前就成功把光源元件轉印到其iSiPP50G晶圓級先進製程平台。在應用成果的展示方面，imec已經成功展示了一些雷射與放大器應用的重大成果。

其中一項案例是利用微轉印技術，在矽基板上整合了具備寬可調範圍的三五族雷射元件。該元件包含兩顆相鄰的可調式環型共振器，以及一顆經過轉印處理的半導體光放大器(SOA)。環形共振器能讓雷射元件的調變範圍多達45nm，橫跨整個C波段，輸出功率達到5dBm。

另一個案例則利用轉印技術，將三五族鎖模雷射元件整合在氮化矽(SiN)基板上。在這個情況下，我們利用氮化矽波導具備的超低損耗特性，在矽光子晶片上建立超長型共振腔，最終製成具備超低重複率的鎖模雷射元件，進而輸出高脈衝能量。

最近imec團隊還展示了一顆透過電能激發的晶載鎖模雷射元件(圖4)，以三五族材料製造，並微轉印到氮化矽基板上，脈衝重覆率為3GHz，脈衝能量約為2Pj。這種元件可用於以晶片構件運作的光譜應用，實現前所未見的超高解析度。

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圖4　鎖模雷射元件示意圖，包含光學顯微鏡影像，以及波導結構的彩色掃描電子顯微鏡影像截面圖　(資料來源：Hermans(2021)，APL Photonics)

但平心而論，這項技術的成熟度較低，因此短期或近期內沒有規模化生產的解決方案。由於目前還缺少整合式光源元件的相關數據，包含長期操作的穩定度，與轉印大量元件時的產量評估。雖然基於這些先例應用，imec團隊預期，將轉印技術導入整合式光源元件製程不會出現重大問題，但實際上仍須靠進一步研究才能確認。

不過，微轉印技術已經導入其他的半導體領域，而且有不錯的進展。例如microLED顯示器的封裝製程，必須把紅、綠、藍發光二極體(LED)分別從不同晶圓轉移到顯示器基板上。(編按：在microLED領域，一般將這種封裝技術稱為巨量轉移，但本質上就是微轉印技術。)將這項技術應用在光子晶片的雷射與放大器上，是最新進展。在這方面，imec占了先機，也有很多業者展現出濃厚興趣。

### ‧三五族(晶粒)與矽晶圓的異質整合

在晶粒對晶圓的接合製程，磷化銦晶粒(或整片晶圓)被轉移至矽晶圓上，並進行接合。由於這些晶粒尚未圖形化，所以無須對準。打線接合後，移除用來磊晶成長的三五族基板，並在磊晶層上製造雷射二極體(圖5)。

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圖5　Wolfpack FM3功率模組(左)，以及適用該模組的25 kW AFE配置　(資料來源：Wim Bogaerts)

透過傳統的晶圓級製程，磊晶層可以在曝光微影時對準下方的矽波導結構。這個方法可以實現高產量的晶片整合，還能藉由三五族元件與矽材之間的漸消耦合作用，製成具備高效光學性能的介面。

三五族異質整合的缺點是必須建立8吋與12吋晶圓產線來處理這些元件的所有製程步驟，這就需要鉅額投資。另一方面，這項技術能實現同步製造，一次產出多個元件。半導體大廠英特爾(Intel)在過去10年間投入了這類研發，2016年推出首批異質整合產品。

### ‧單晶異質磊晶成長技術

直接在矽基板長出三五族元件層，可能是雷射源整合技術的終極手段，因為毋須進行接合，還能減少三五族廢料。然而，這項技術還有許多困難必須先克服，才能發展為可行的解決方案，導入矽光子晶片製程。

目前這項整合技術仍處於材料科學與早期元件示範階段。由於主體矽基板與備受矚目的三五族材料之間，晶格不匹配高達4%以上，要產出低缺陷密度的三五族結晶材料，是十分困難的目標。

為了讓這些差排缺陷集中出現在未圖形化矽基板上方的二維平面，就必須成長出一層數微米厚的應變鬆弛緩衝層。據傳加州大學聖塔芭芭拉分校(UCSB)已利用這項技術，取得了重大進展，顯現高效能砷化鎵量子點雷射所具備的高可靠度使用壽命。

不過在大尺寸晶圓的應用上，厚重的緩衝層會導致各種不樂見的後果，像是晶圓翹曲，或是三五族薄膜破裂。此外，要在這層緩衝層上方的主動層與下方矽基板上的被動式波導之間實現光學耦合，其實極具挑戰性。

為了消弭這些障礙，imec提出了全新的單晶整合技術「奈米脊工程(Nano-ridge Engineering)」(圖6)。基於選擇性磊晶成長的概念，將所有的差排缺陷捕捉在窄溝槽內，利用深寬比捕捉技術(Aspect Ratio Trapping)，就不必設計一層厚緩衝層。隨後填充這些溝槽，在溝槽外繼續磊晶成長，最終設計出具備特殊匣式結構的奈米脊，使得三五族結構擴大，不僅能導引光源，也利於進行元件整合。

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圖6　a)為砷化銦鎵(InGaAs)奈米脊結構在O波段運作的掃描式電子顯微鏡傾斜影像截面圖。b)穿過奈米脊溝槽結構的穿透式電子顯微鏡影像。c)奈米脊溝槽邊界的穿透式電子顯微鏡影像。由此可見異質元件層的細部特徵，以及在溝槽內部捕捉差排缺陷的絕佳效果　(資料來源：Colucci D.等人(2022)，Optics Express，30(8)，13510)

與其他奈米脊技術相比，imec奈米脊工程技術的關鍵優勢是把應變鬆弛區域分離出來，設計在溝槽內。這對元件性能與可靠度來說至關重要。使用光能激發的奈米脊分布回饋式雷射元件與低損耗金屬進行耦合，在1020nm與1300nm波段實現低臨界激發功率，顯示三五族奈米脊結構具備材料品質優良的晶體。

儘管透過磊晶成長實現單晶整合的技術仍在研發階段，imec已展示顯著突破，在其12吋矽晶圓試驗性產線，示範如何以完整的晶圓級整合製程，生產高品質的砷化鎵奈米脊光電二極體。imec下個技術里程碑則會展示以相同的電極接觸設計來製造電能激發的雷射元件。磊晶成長技術仍在探索，倘若成功，可能就會帶來重大影響。

## 不同技術各有優勢　選擇性磊晶為終極境界

接下來幾年，所有的雷射整合技術都會快速發展，imec認為這些技術將會共存並進，以滿足不同的應用需求與使用案例。覆晶雷射封裝的建置成本適中，技術成熟度高，將會推動近期的產品研發上市，適合導入僅需單個或少數雷射元件的光子晶片應用。此外，覆晶製程的供應鏈彈性高，可以支援使用非典型波段或需要客製化的應用。

至於需要量產與使用多顆雷射或放大器的光子晶片，轉印和晶粒對晶圓接合製程能提高生產量能，降低耦合損耗，並具備降低成本的潛力。因為更高度整合的晶片製程會增加高額的建置成本，為了醞釀供應鏈的技術成熟度，相關應用必須具備充分的市占率。

最後，直接在矽基版上選擇性磊晶成長，就是雷射整合的最高境界，但在材料品質上必須持續精進，還需要改良晶圓級整合技術，以釋放其發展潛能。

(本文作者Roel Baets、Günther Roelkens為根特大學教授；Joris Van Campenhout、Bernardette Kunert任職於imec)

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