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  • 硅基光子集成的发展及其相关技术简述

    作者:矮冬瓜 来源:长春理工光学测量 时间:2018-04-19 19:47 阅读:18237 [投稿]
    光子集成(photonic integrated circuits,PIC) 是指将多个光器件集成在一起的技术,相对于目前广泛采用的分立元器件,在尺寸、能耗、成本、可靠性等方面拥有巨大优势,是未来光器件的主流发展方向。

    目前,键合技术主要有直接键合SiO2/SiO2中间层键合和苯并环丁烯(BCB)胶粘剂键合三种方式。

    直接键合工艺简单成熟,键合强度大。然而键合强度很大程度上依赖于晶片表面的洁净度、粗糙度、粗糙度需小于1nm,并需要对晶片表面进行活化处理。同时在完成预键合后需要在超低真空条件下进行退火处理,整个工艺过程十分复杂,并且对设备有很高的要求,另外对键合材料的选择也有较大的限制。

    SiO2/SiO2中间层键合实际上也是一种直接键合的方法,不同的是它在键合之前分别在两个待键合晶片表面生长了一层SiO2。它的优点在于键合强度大,能精确控制中间层的厚度,并对材料性能影响较小。然而与直接键合类似,SiO2/SiO2中间层键合对热氧化和等离子体化学气相沉积(PECVD)的SiO2层的表面粗糙度要求高,对晶片表面要进行严格的处理,并且对处理的环境要求高。

    BCB键合法在工艺难度和要求上都明显简单许多,,而且还能保持较好的键合界面平整度和较少的界面空位。同时,键合温度低,受界面粗糙度和洁净度的影响较小,键合得到的界面空位少,并且它还可以在有结构的晶片表面进行键合。利用这个特性,我们可以实现SOI波导结构和Ⅲ-Ⅴ族半导体材料有源器件的集成。这个方法也彻底突破了不同材料间键合的限制,能灵活自如地运用于各种器件的集成,同现有的工艺技术完全兼容,是一种十分具有发展前景的键合方法。

    下面主要介绍一下苯并环丁烯(BCB)胶粘剂键合法,苯并环丁烯(benzocyclobutene,简称BCB)是一种目前较常用的圆片级有机粘结材料,通常用于微电子机械系统(MEMS)器件中的粘结工艺,近年来开始用于圆片级键合。它是一种有机高分子聚合物,综合性能优异,具有低的介电常数,长波范围内的光学损耗低。在较低的温度下固化后,它具有非常好的化学稳定性、热稳定性和高的平整度。其键合过程如图3所示:


    2.3光电集成

    硅基光子集成之后的下一步目标是硅基光电集成, 不仅将光子器件集成在一个模块上, 还要包括电子器件。 相比于光子集成, 光电集成要求更高。目前光电集成多用于集成有源光子器件和其外部驱动电路。

    2013 年Luxtera 公司[10] 提出用硅光子学实现光互连应用中的光电一体化集成, 他们将芯片分为光子芯片和电子芯片, 用微小铜柱将两个芯片倒装焊粘连到一起。 如图4 所示。 这里MZI 为马赫-曾德尔干涉仪,以铜柱作为光学器件与电学驱动器件之间的连接元件可以充分减小电容的寄生效应,这样做不仅保持了光子芯片和电子芯片各自的优势, 也保证了其应有的可扩展性以应对未来的数据速率和功耗要求。


    结语

    硅光子学中成熟的CMOS 工艺为光子集成回路制造提供了极好的技术基础。 而基于人们的要求, 下一步硅基光子的发展趋势将是更高速率、更低功耗以及更集成化。 目前人们对于硅基光子集成方面的研究工作仍然比较多, 下一步研究工作将不仅局限于硅基单片集成,而要逐渐扩展到硅基混合集成和硅基光电集成, 并且日后硅基光电集成将作为硅基光子学发展的更高目标。

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