博客文章：光子器件技术的新兴之用

作者：应用材料公司Shiva Rai

光子器件技术在激光扫描和打印、电信和工业材料加工等应用中存在已久。近年来，发光二极管（LED）照明得到了大规模应用。激光器、光电探测器、microLED和光子集成电路（PIC）等光子器件成为一系列新技术的构建模块，包括人脸识别、3D 传感和激光成像、检测和测距（激光雷达）等。为了满足当今的应用需求，这些技术需要创新的器件架构、新材料开发、材料的单片和异构集成、更大的晶圆尺寸和单晶圆加工。

硅一直是所有半导体IC技术的支柱，它使电子技术从计算机、互联网、智能手机，再到现在的人工智能和 5G 的发展成为可能。然而，对于某些应用来说，光子器件技术更能满足技术和环境要求。

砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）和氮化镓（GaN）等化合物半导体具有直接能量带隙以支持激光和LED 等光子器件技术。利用磷砷化铟镓（InGaAsP）材料的1.3μm和1.5μm单模激光器，可搭建出极其高效的光纤通信系统，如今已在使用。

随着基于砷化镓和氮化镓的可见光LED技术的进步，照明行业已经生产出高效、高亮度的LED产品，用于室内外照明、汽车照明和显示器。除了能效之外，LED还为照明设计师提供了更大的自由度，这一点可从最新的汽车大灯设计窥见一斑（图 1）。

图 1. 高亮度 LED 被应用在新近的汽车大灯设计中

新兴光子应用

光子被认为是3D传感、自动驾驶车辆和光互连等新兴技术的重要赋能者。正如电子一直是设计机器“大脑”的支柱一样，光子将“视觉”赋予未来机器，激光将是这些光子的来源。

3D传感

随着智能手机越来越多用于计算，手机上保留的个人信息也日益增多，这就需要严格的安全设置，而不仅限基于指纹识别和二维虹膜扫描的身份验证。继苹果公司2017年在iPhone X中推出人脸识别功能后，垂直腔面发射激光器 （VCSEL）近年来在消费市场上引起了相当大的关注。VCSEL将数以万计的激光束照射在用户的脸上，然后收集这些激光束，生成面部的3D 深度图，为该用户创建独特的识别图像（图 2）。

图 2. VCSEL 是用于设备人脸识别技术的基础

一家领先的消费产品制造商的最新产品扩展了这一技术，采用了飞行时间激光传感器，利用 VCSEL对几米外的场景进行闪光，借助深度信息创建该空间的3D 图像。例如，现在能以虚拟形式将家具或艺术品放置在一个空间中，以便在购买前查看使用效果。为了眼睛的安全，如今的技术在波长范围上是受限的，但我们可以预期未来会发展到更长的波长，并适用于更多的设备，包括智能手机。

光互连

传统形式的数据中心消耗了当今世界2%以上的电力，而全球数据流量预计每四年就会翻一番。未来，使用电子分组交换机在机架之间进行数据传输将无法同时满足带宽和能耗的要求。数据中心业务模式向云计算转变，未来几年将涉及更大量的数据处理和传输（图 3）。

图 3. 云计算将加剧数据中心能耗的挑战

目前正在开发基于硅光子和磷化铟光子集成电路（PIC）的光互连技术，以应对数据中心面临的这些挑战。100GbE的收发器模块已经进入市场，并在稳步推向400GbE和更高的水平。与常规的电子相比，硅光子能够实现更快、更远距离的数据传输，同时还可以利用上半导体激光器以及大批量硅制造的效率。

激光雷达

汽车行业除了电气化之外，下一个大的范式转变就是自动驾驶。今天的三级自动驾驶，需要高度精密的照明、检测、感知和决策系统无缝协同工作（图 4）。激光雷达的高分辨率、3D成像能力和超过200米的可探测范围，与基于雷达或摄像头的解决方案形成鲜明区别，已被广泛认为是自动驾驶的最佳解决方案。

图 4. 自动驾驶汽车的安全运行需要许多不同系统的无缝协作。

激光雷达有905nm和1550nm两种频率选择。其中905nm是首选，因其具备完善的激光器和光探测器生态系统。不过，由于1550nm的范围更广，而且眼睛的安全极限是905nm的40倍，因此业界正在对其积极研究。当前正在评估的光束转向技术，包括机械旋转、MEMS和光学相控阵。机械旋转在可靠性方面存在很大的问题，而基于MEMS的光束转向技术近来作为三级先进驾驶辅助系统（ADAS）的选件出现在多款汽车上，但在射程和视野上有限制。用于光束转向的固态光学相控阵处于早期开发阶段，其在性能、成本和外形尺寸方面具有不错的前景，除了自动驾驶之外，还可被应用在更多方面。为了满足激光雷达系统在成本和性能上的要求，需要在大批量制造中运用异构集成或共同封装激光器、探测器和光束转向芯片。如今，基于MEMS的激光雷达技术在满足这些工业要求方面展现出喜人的前景。

MicroLED

除了在电视、智能手机和智能手表等现有设备中实现更高的分辨率外，microLED技术还可能用于打造令人兴奋的新产品，如图5 所示的增强现实/虚拟现实（AR/VR）产品。这些新的应用需要自发光的红绿蓝（RGB）显示，而不是色彩转换或过滤。这里涉及的挑战是实现 RGB microLED 裸片所需的量子效率，将 microLED经济高效地巨量转移到背板上，以及测试每个单独的 microLED。创新的器件设计、外延生长优化、衬底工程、裸片转印方法和新的背板架构正在研究和开发中，以使 microLED 技术可与现有的液晶显示器（LCD）及有机发光二极管（OLED）技术相竞争。

图 5. AR/VR 应用是受益于 MicroLED 技术的消费产品之一

器件技术

实现这些新兴光子应用的关键器件技术是基于砷化镓和磷化铟的激光器、硅和砷化镓铟（InGaAs）光电探测器、MEMS器件、氮化镓和砷化镓LED、硅和氮化硅（SiN）波导以及光学调制器。对于3D传感应用，砷化镓激光器件正从100mm的衬底转向150mm的衬底。用于高亮度应用的砷化镓和氮化镓 LED分别在150mm砷化镓衬底和蓝宝石衬底上投产。不过，在某些应用中，microLED的应用正在推动对硅衬底上RGB LED的需求。磷化铟激光二极管是在75mm和100mm 磷化铟衬底上生产的。化合物半导体器件通常在批量反应器中进行加工，但制造重点越来越多地放在提高良率和晶圆内均匀性以及增强工艺控制上，这相应地推动了向单晶圆加工设备的过渡。

目前，用于光束转向技术的MEMS器件依赖于200mm硅MEMS生产线。硅光子技术主要在200mm绝缘体上硅（SOI）平台上运行，并不断推动向300mm晶圆过渡，以解决200mm 光刻和刻蚀等设备的技术限制。具有高电光系数的薄膜技术一直在研究之中，以扩展光互连的速度和带宽包络。

上述光子应用预计在未来5-10年内实现巨大的增长。3D 传感、激光雷达、光互连和AR/VR显示，这四大关键应用的市场规模预计将以31%的复合年增长率，从2020年的80亿美元增长到2025年的233亿美元（图 6）。3D 传感技术正在寻求新的应用，而激光雷达和AR/VR显示器还处于早期发展阶段，预计将以更高的复合年增长率增长。光电子应用的增长将需要解决器件技术在性能、制造和系统集成方面的挑战。如今，各种力量正在推动对新工艺设备的需求，这些设备不仅要能解决器件性能上的难题，还能实现卓越的工艺控制，提高整体制造良率。

图 6. 新兴的光子应用将实现巨大增长（资料来源：Yole Développement 报告）

作者简介：

Shiva Rai 是应用材料公司光子和射频应用战略营销经理