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ISSCC2024|微转印技术用于异质集成以及光电融合的硅基光电子芯片

引言

随着咱们步入无所不在的连接和数据驱动计算时代，对高性能、节能数据通信和处理系统的需求与日俱增。硅基光电子技术（SiPho）应运而生，有望实现高带宽、低功耗光互连和芯片内光信号处理。尽管硅基光电子技术取得了快速进展，但由于单芯片平台的局限性，完全集成的电子-光子系统芯片仍然遥不可及，根特大学/IMEC在ISSCC2024发表”Micro-transfer printing for heterogeneous electronic-photonic integrated circuits”报告，深入探讨微转印技术用于下一代异质集成的光电融合芯片，让我们来了解其精彩的内容 [1]。

硅基光电子集成平台及应用

目前，多家代工厂商提供硅基光电子工艺平台，但大多专注于纯硅基光电子技术，而没有与电路或激光器单芯片集成的能力。典型的硅基光电子平台由硅衬底（SOI）组成，包含硅波导和其他无源光子组件，以及锗光电二极管和可选的调制器，如图1所示。

图1：典型硅基光电子工艺平台横截面

尽管最初为1.3-1.55μm波长和高数据速率（50-100Gbaud）光收发器产品设计，但硅基光电子平台的应用领域远远超出了电信范畴。这些新兴应用包括传感（激光雷达、激光多普勒测振）、医疗保健（光相干断层扫描、光声成像、神经探针）、增强/虚拟现实、人工智能芯片的photonic interposers以及光量子计算等。很多应用领域并不一定利用硅基光电子平台的高速能力，并且可能工作在1.3-1.55μm波长范围之外。

单芯片硅基光电子的局限性及异质集成需求

尽管单芯片硅基光电子平台功能强大，但仍然缺少几种关键器件，无法实现全功能的集成光子系统芯片。这些缺失器件包括高效光源（激光器）、电光调制器、光隔离器/环路器以及特种光电探测器等。由于硅材料的固有局限性，在硅基光电子平台上整合这些关键器件极具挑战。这些关键器件大多基于III-V族化合物半导体（如GaN、GaAs、InP、GaSb）或薄膜材料（如铌酸锂、钛酸钡、铈掺杂的铁氧体铁磁体），其中常常包含金、锂等非CMOS兼容元素。因此，异质集成——在单个芯片上集成多种材料系统——已成为实现高性能、高度集成电子-光子电路不可或缺的关键技术。

异质集成技术

行业为硅基光电子与非原生器件的异质集成探索了多种方法，各自具有优缺点：

1.微光学台：此方法采用主动对准和密封技术，将单个器件（如激光器、调制器）组装到硅基光电子芯片上。虽然具有灵活性，但每单位组装成本较高，难以满足大规模应用需求。

图2：微光学台集成方式

2. 倒装芯片 （flip-chip）集成：此后端集成技术将预先制作好的已知良品芯片倒置并键合到硅基光电子芯片上，采用被动对准技术。虽然比微光学台成本更低，但仍需逐步集成，成本相对较高。此外，该方法没有本征密封能力。

图3：倒装芯片集成方式

3. 晶圆键合和晶圆重构：此中端集成方法采用精确的光刻对准将整个晶圆相互键合。然而，该技术限制了芯片尺寸，并要求关键表面制备。此外，它无法选用已知良品芯片。

图4：晶圆键合集成方式

4. 外延异质生长：此前端集成方法涉及在硅衬底上直接生长非硅材料（如III-V族半导体）。虽然有望实现单芯片集成，但外延异质生长面临诸多挑战，包括晶格失配、界面极性问题以及热膨胀系数失配等。该方法也存在可靠性和工艺集成问题，限制了其灵活性。

微转印 （MTP）技术：多功能的异质集成解决方案

在各种异质集成技术中，微转印技术（MTP）脱颖而出，成为实现先进电子-光子集成电路的特别有前景和多功能的方法。MTP结合了倒装芯片集成（可选已知良品芯片、后端集成）和晶圆键合（高产能、高效耦合）的优势，并克服了它们各自的缺陷。

图5：微转印工艺概览

深入探讨MTP技术

MTP的核心是利用可拉伸聚二甲基硅氧烷（PDMS）印模，将源基底上分离出的微米级半导体芯片（亦称为微器件或微元件）转移到硅靶基板上，如图6所示。该过程利用了PDMS印模的黏弹性特性，其结构可以选择性地捡起和印刷微芯片。

图6：微转印基本原理

MTP工艺流程通常包括以下几个步骤：

1.芯片制备及释放：首先在其本征基底上采用标准工艺制备芯片（如III-V族激光器、调制器、光电二极管）。然后腐蚀牺牲层，使芯片与基底分离。

2.印模制备：根据源基板上的芯片阵列，制备具有特定凸起结构的PDMS印模。印模凸起的设计与PDMS的黏弹性相匹配，确保可靠地捡起和印刷芯片。

3.捡起：将PDMS印模与分离的芯片接触，芯片通过范德华力附着在印模凸起上。

4.印刷：利用先进的图案识别和对准系统，将载有芯片的印模与硅基光电子靶基板对准。然后通过控制剪切力，将芯片印刷到靶基板上。

5.集成：印刷后，芯片被封装和电连接，并采用标准后道工艺，如粘接、介质沉积和镀膜等。

图7： MTP工艺中的PDMS印模结构

该大规模并行印刷工艺能够实现不同类型芯片（如III-V族、薄膜、二维材料等）高密度共集成在单个硅基光电子靶基板上，获得优异的对准精度（±0.5μm 3σ）。此外，微转印过程使非本征器件与硅基光电子平台的制造过程分离，允许各组件独立优化。

图8：通过MTP在SiPho靶基板上高密度共集成多种芯片

MTP技术的多功能性令人赞叹，能够集成各种材料系统，包括GaN、GaAs、InP、GaSb、锂铌酸盐、钛酸钡、铈掺杂的铁氧体铁磁体以及二维材料等。这种多功能性源自适用于不同材料的多种分离化学反应，如图9所总结的。

图9：MTP工艺中不同材料系统的分离化学反应

案例演示与独特卖点 MTP技术为实现先进电子-光子集成电路的潜力，已通过多项最新研究成果得到证实：

1.在400nm SOI平台上集成InP半导体光放大器（SOA），实现高功率（25mW）C波段激光器和放大器（图10）。

图10：利用MTP将InP SOA集成于400nm SOI平台

2.将O波段（1.31μm） InAs/GaAs量子点分布式反馈（DFB）激光器异质集成到硅基光电子平台，实现高输出功率（20mW）和优异的侧模抑制比（60dB）（图11）。

图11：利用MTP将O波段InAs/GaAs量子点DFB激光器集成到硅基光电子平台

3.通过集成InP增益芯片和硅波导布拉格光栅，实现MTP集成的扩展腔激光器，实现窄线宽操作（图12）。

图12：利用MTP在硅基光电子平台上实现InP/Si扩展腔激光器

4.集成高性能单行波载体光电二极管（UTCs），其响应度达0.45A/W，带宽超过100GHz（图13）。

图13：将UTC光电二极管转印到SiPho平台

5.将850nm垂直腔面发射激光器（VCSELs）异质集成到氮化硅光电芯片（SiN PICs）上，实现单模、极化稳定和可调谐操作（图14）。

图14：利用MTP将850nm VCSELs集成到SiN PICs

6.将铌酸锂（LiNbO3）电光薄膜共集成到SiN PICs上，实现50GHz以上的带宽，并有望达到100GHz（图15）。

图15：利用MTP将LiNbO3电光薄膜集成到SiN PICs

除了这些光子器件演示，MTP还成功将电子芯片（如CMOS驱动器/接收器和数字电路）集成到SiPho平台上。实现了高度集成的3D电子-光子系统，用于诸如晶圆级光互连的应用，并能充分利用薄芯片、短互连线以及超低损耗SiN photonic interposer的优势。

图16：利用MTP将电子芯片集成到硅基光电子平台

MTP的独特卖点在于能够将以下关键属性集于一身：

集成多种材料系统和器件到靶基板的多功能性
高对准精度（±0.5μm 3σ）
高产能（如每掩膜板包含20片芯片仅需45秒）
高密集集成（每掩膜板集成数千器件）
高耦合效率（<0.5dB/接口）
极低电寄生（每条互连线几fF）
可集成厚度和占位范围均为微米级的元件
在中等量产时具有相对较低成本

展望与结论

随着对高度集成电子-光子系统的需求在各种应用领域持续增长，微转印技术已成为实现晶圆级异质集成的一种关键技术。通过允许在硅基光电子靶基板上共集成任何可以从其基体释放的材料或器件，MTP提供了无与伦比的多功能性和性能。

尽管在演示MTP用于先进电子-光子电路的能力方面取得了重大进展，但仍有一些挑战有待解决，包括建立健全的供应链、证明高产能和可靠性，以及进一步优化集成工艺，以充分发挥这项颠覆性技术的潜力。然而，MTP的独特属性，加之对高度集成电子-光子系统日益增长的需求，使这种异质集成方法成为实现下一代高性能、节能数据通信和处理系统的关键支撑技术。

参考文献

[1]G. Roelkens, "Micro-transfer printing for heterogeneous electronic-photonic integrated circuits," in 2024 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) Forums, 2024.