上海理工陈麟、浙大林晓：集成片上光源

随着后摩尔时代的到来，集成电路正向着集成光子芯片的方向过渡，目的是实现光子产生以及超高速传输、处理和探测。在集成光子芯片领域，如何将光源集成在芯片上是一大难题。利用成熟的CMOS工艺可批量大规模生产硅基光电子芯片，但硅是间接带隙半导体，出光效率较差。

为了在片上集成发光器件，可采用载流子注入技术提高硅的发光强度，利用多晶硅的反向偏置PN结结合雪崩倍增现象产生可见光和红外光；另一种方法是将Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器通过晶圆键合或外延生长的方式单片或异质集成在硅晶圆上，目前磷化铟、氮化硅、铟镓砷等材料在硅晶圆上的集成技术已经成熟并实现商业化。最近，片上集成光源领域有如下一些新的发展趋势和方向：

第一，多材料融合光电芯片，即按照集成光子芯片的功能划分，将相应多种半导体材料集成在一个芯片上，可大大提高芯片的功能化和适用性；

第二，针对片上光源多波长输出的迫切需求，采用光参量振荡集成的方法，通过微弱泵浦光和微腔中材料的非线性效应，在片上实现波长的高效非线性转换；

第三，利用片上光源结合光频梳技术，实现多个频率激光梳的片上光谱输出，在光原子钟和片上精密检测领域应用广泛；第四，光量子芯片中的单光子量子源的集成，采用量子点或色心光源实现多功能光量子芯片。

从1947年第一只晶体管问世开始，集成电路技术极大地推动了科技进步，成为信息社会的重要基石。随着社会进步和技术发展，人们对信息的需求也越来越多，这对集成电路的信息获取和处理能力提出更高要求。然而，在后摩尔时代，集成电路面临着不可逾越的电互联导致的延时和功耗方面的限制。于是，随着摩尔定律走向末路，人们提出利用光子作为信息载体替代电子的设想，即通过光电子和微电子的融合，利用片上光互联代替传统的电互联，实现信息的高速传输，同时降低电互联的寄生电阻。对于微电子而言，深亚微米下电互联存在严重的延时和功耗问题，迫切需要引入光电子，利用光互联解决电互联问题。对于光电子而言，需要借助成熟的微电子加工工艺平台，实现大规模、高集成度、高成品率、低成本的批量化生产。

光电集成芯片能在片上完成光子产生、光信息传输、处理和探测，在过去10年中已成为学术界和产业界最热门的方向之一。其中，片上集成光源可为光电集成芯片提供相干光源，产生光信息，其性能决定了芯片的应用范围和实现功能。集成片上光源通过一体化设计和现代半导体加工工艺，相比于传统的光设备，在降低尺寸、质量、功耗和成本方面优势巨大，同时推动先进光刻技术、纳米制造技术、微纳制造工艺和材料科学发展的产业升级。

硅基光电集成芯片技术是指基于硅材料的光电子芯片设计、制作与集成技术。单晶硅凭借其大光学带宽、强可扩展性、低廉的成本、高效的片上路由和高折射率，成为光子芯片最成熟、广泛的平台。硅基光电集成电路（optoelectronic integrated circuit，OEIC）可以与CMOS工艺兼容，借助成熟的微电子加工工艺平台，可以实现大规模批量生产，具有低成本、高集成度、高可靠性的优势，是实现光电子和微电子集成、光互联的最佳方案。晶圆集成的片上光源技术在光互联和高速光计算领域将给光通信链路带来更高的带宽密度和速度。此外，在精密测量领域，将实现小型化和低功耗化的特性，将光原子钟和光谱仪从设备迁移到芯片上。

在光计算上，利用多波长光梳技术可实现多波长的并行计算能力，在计算速度上实现多个数量级的提升。在传感领域，片上光源技术将实现并行激光雷达体系，提升采样速率，降低功耗，实现复杂应用（如自动驾驶等）的物联网高速传感和处理。

当前，硅基探测器、光调制器、光开关、光波导等均已实现突破。但是，片上硅基光源依然缺少成熟方案。硅材料的间接带隙特性，决定了其发光效率低下，难以作为有源材料制作高性能发光器件。如何将光源集成在硅基芯片上是一大难题。近年来，人们从发光原理、材料、器件结构等多个角度开展了大量硅基光源研究，从早期硅基发光二极管（light emitting diode，LED），如PN结发光、金属–绝缘层–半导体（metal-isolator-semiconductor，MIS）结构发光、肖特基结发光，到载流子注入硅基雪崩倍增发光、硅稀土掺杂发光，硅纳米晶体激光器、硅锗激光器等，发光效率不断提高。但这些光源的性能与Ⅲ-Ⅴ激光器相比还有一定的差距。

所以，在集成片上光源未成熟前，工业界的方案是利用高精度封装将外部光源与硅光芯片耦合成组件。那么，如何让性能优异的硅基光电子芯片集成具有低功耗、长寿命、大功率等优异功能的片上光源呢？

Ⅲ-Ⅴ族半导体是具有直接带隙和优秀光学、电学性质的材料，砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）量子阱和量子点激光器已经商用。传统的Ⅲ-Ⅴ族光源虽然有较高的量子效率，但是与现有的集成电路工艺不兼容。将Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器与硅材料集成在一个硅晶圆上的思路自然而生。保证光源制造工艺兼容现有集成电路工艺一直是该领域的热点和难点。目前的技术是通过混合集成（将材料转移至硅晶圆上，如直接放置或晶圆键合）或单片集成（直接在硅晶圆上生长材料，如外延生长）将成熟的Ⅲ-Ⅴ族材料激光器引入到硅晶圆上。

混合集成工艺成熟，例如通过晶圆键合技术，人们可将Ⅲ-Ⅴ族材料外延层利用苯并环丁烯（BCB）辅助黏结键合技术集成至硅芯片上方，由Ⅲ-Ⅴ族材料产生的光可通过倏逝波耦合的方式进入硅光子回路，完成片上光源与硅光子芯片的混合集成，但其工艺成本较高，难以实现较大规模的集成。单片集成有望把原生Ⅲ-Ⅴ族材料光子器件的工艺与技术应用于硅光子光源中，得到性能优异的片上光源，被认为是硅芯片上光源大规模生产的终极解决方案。

硅上异质外延Ⅲ-Ⅴ族材料技术面对的问题主要是Ⅲ-Ⅴ族材料与硅间严重的晶格失配，这将导致位错、反相畴等缺陷的产生，严重限制Ⅲ-Ⅴ激光器的寿命和性能。位错缺陷，在生长中可在衬底和有源区之间加入位错阻挡层或其他缓冲层结构。而对于反相畴缺陷，采用选区生长技术在图形化的硅衬底上外延Ⅲ-Ⅴ族材料，能够有效地限制反相畴缺陷对有源区的影响。与混合集成光源相比，单片集成方案最主要的优势是其能够与硅光子工艺同步缩小线宽、提高集成度，在大规模光子集成芯片的研制中有巨大潜力，这也是硅光子技术的主要发展方向。

目前磷化铟（InP）、氮化硅（Si3N4）、铟镓砷（InGaAs）等材料在硅晶圆上的集成技术已经成熟并实现商业化。此外，具有极低损耗、大透光窗口、优秀的非线性效应的SiN-on-Si平台，弥补了Si在低于1100 nm波长时透光窗口截止的缺陷，在AR/VR、度量、生物医药、传感等领域具有新的应用。

“集成片上光源”工程开发前沿核心专利公开情况见表2.1.1，核心专利2016—2021逐年公开情况见表2.1.2。

“集成片上光源”工程开发前沿中专利的主要产出国家分布情况见表2.2.3，中国、美国和日本分列前三位。其中，中国的专利公开量优势巨大，是第二名美国的三倍多，反映出中国在国家战略中将片上集成光源领域列为优先发展方向，在该领域涉及的材料、物理、光电子学、精密制造等细分领域取得长足进步。但专利的平均被引频次只及美国的三分之一，反映出中国在原创专利方面还有很多不足。

在国家合作方面（图2.2.3），美国作为集成片上光源领域原创技术最多的国家，与韩国、英国和澳大利亚有着紧密合作。这几个国家在片上集成光源领域分工比较明确，技术优势可以实现互补。在排名前列的主要机构合作方面，各机构之间合作不紧密，表明目前该领域竞争非常激烈，头部机构非常注意保护自己的原创技术。具体来说，美国制造集成光子研究所（AIM Photonics）、英特尔公司和惠普实验室，拥有多条高水平硅光工艺线，具备从硅光芯片设计培训到制造封装的全流程能力。例如，2016年，英特尔公司公布了第一个商业化硅基异质集成产品，实现了InP激光器与Si高速Mach-Zehnder干涉仪的单片集成，实现100 Gbps收发器产品系列，英特尔公司的成果和其垂直整合的商业模式已证明硅基异质集成的技术可行性。

中国在科研和产业化水平上同国外差距逐步缩小，在硅光集成领域，中国目前有联合微电子中心有限责任公司（CUMEC）、中国科学院微电子研究所（IMECAS）和上海微技术工业研究院（SITRI）的硅光平台具有芯片加工能力，例如CUMEC基于自主工艺平台实现了硅基窄线宽激光器，波长调谐范围1520~1580 nm，功率大于10 dBm，线宽小于100 kHz，具备低相位噪声、高集成度、成本低等特点，在基于相干检测的硅光雷达、高速相干光通信模块、气体检测、光纤传感方面有较广泛的应用前景。科研机构方面，北京大学、浙江大学、上海交通大学、中国科学院半导体研究所等单位在片上光源频率梳、多材料融合芯片等方面做了大量前沿工作（表2.2.4）。

集成片上光源领域有如下一些新的发展趋势和方向（图2.2.4）：

第一，多材料体系融合光电芯片，实现Ⅲ-Ⅴ族化合物、氮化硅、二氧化硅、聚合物、铌酸锂、铝钾砷和磷化铟等材料在硅晶圆上的集成工艺技术开发，目标能涵盖可见光、近红外、中红外、太赫兹等频段。使用的方法包括转移印刷工艺，基于可逆黏附技术，将数千个由不同材料制成的设备集成到一个晶圆上。多材料集成打造硅/先进光电材料（Ⅲ-Ⅴ、LiNbO3等）混合集成工艺平台。

第二，针对片上光源多波长输出的迫切需求，开发纳米级光参量振荡器（optical parametric oscillator，OPO）硅基芯片级光源，通过微弱泵浦光和微腔中材料的非线性效应，在片上实现波长的高效非线性转换，得到传统硅基芯片技术难以实现的波长输出，在基于芯片的原子钟或便携式生化分析器件领域应用广泛。

第三，将片上半导体锁模激光器与集成非线性光频梳器件结合起来，实现化合物半导体、氮化硅、铌酸锂等材料和硅晶圆的单片集成和混合集成并实现量产，达到低功耗和窄线宽超短光脉冲，提供数百条等距且相干的激光线，能精确对应梳齿线的频率间隔，不仅可以制造光原子钟以精确测量时间，也可以让光纤通信各通道之间的干扰减少，使单根光纤传输的信号量增加几个数量级，在气体成分分析、全球定位系统（GPS）、天体观测、激光雷达等技术上也有广泛应用。目前可以实现最小线宽达到140 Hz的窄线宽外腔激光器、梳齿宽度为12 nm的量子点激光梳。

第四，量子点激光器。量子点（quantum dot，QD）的离散分布特点使基于量子点的激光器具有更好的温度特性和更低的阈值电流。例如，胶质量子点采用简单的无模板自组装方法可制备谐振腔，砷化铟量子点作为增益介质，可外延生长GaAs衬底。在光泵浦作用下，实现微纳片上激光器。此外，集成光量子芯片中的片上纠缠光源可通过集成半导体高品质量子点、金刚石色心和二维材料缺陷态等实现，未来的可能方向为对自组装量子点的偏振纠缠光子对的混合集成片上量子光源的研究。目前最好的按需单光子和纠缠光子量子点源发射的能量大大高于硅带隙，所以需要混合Ⅲ-Ⅴ集成技术。

片上集成光源一个典型的应用场景是激光雷达。目前的激光雷达体积和质量较大、功耗和成本较高，未来趋势是利用光子集成芯片代替目前由分立光学元件搭建的激光雷达，可大大减小体积和质量，功耗和成本也大幅降低。这可通过集成片上光源经过光互联，片上光信号与光开关进行路由，实现光子的芯片层面的发射和接收一体化，将光源和锗硅光电探测器集成在一个芯片中。利用该芯片实现对不同距离目标的相干检测，实现相干激光雷达的扫描和测距功能。

片上集成光源另一个应用场景是传感。为了实现片上集成的光学传感检测，需要将光源、光探测单元与光传感单元进行片上集成来获得片上直接输出传感信号的能力，实现完全的片上集成检测芯片，异质外延、转印、键合等多材料集成技术被开发出来以实现光源、光传感、光探测的单片集成。目前，波导型片上集成光学传感检测芯片的折射率传感检测限达到10−6RIU量级，气体检测限达到ppb（10−9）量级，对化学分子和生物分子的检测也达到pg/mm2量级，展示了良好的应用潜力。该芯片还可以方便地集成到手机、无人机等平台，实现便携式应用，并通过大数据、云计算和物联网技术实现功能强大的现场检测。此外，在光通信领域，富士通实验室的Tanaka等设计了一种无需温度控制的硅光子发射机芯片，采用高精度倒装焊设备将Ⅲ-Ⅴ族材料半导体光放大器（semiconductor optical amplifier，SOA）集成在SOI衬底上，与波导端面对准，和SOI波导一起构成混合集成激光器。