氮化硅提供从研发进展到量产的灵活性

来源：《半导体芯科技》杂志 12/1月刊

现今，氮化硅（SiN）为光子集成提供了更多的途径，包括新的200mm、高产量、汽车级CMOS生产线。在过去的几年里，SiN紧随确立已久的硅光子学之后，该材料平台已经成熟，并在光子集成电路（PIC）市场上，为那些需要非常低传播损耗、可见波长或高激光功率的应用提供了新的机会。

光子集成电路（PIC）即将重演电子集成电路（IC）的成功故事。PIC的运行使用的是光，而不是电子。在未来的通信、传感和交通运输领域的基础设施中，PIC将发挥重要作用。虽然硅光子学已经存在了20多年，但是在过去的10年里引入了新的材料平台，这些材料平台可以提供额外的好处。

使用氮化硅（SiN）波导的动机是多方面的。首先，氮化硅是一种众所周知的可以兼容CMOS的材料，而且已经在半导体行业广泛使用。这使得能够利用标准的CMOS工艺来开发制备方法和工艺设计套件（PDK）。当后来根据批量生产要求对工艺流程进行调整时，或者更重要的是，当使用已有的基础设施来运行工艺流程时，这是主要的要求之一。其次，作为一种材料，氮化硅为PIC市场提供了新的可能性。例如，如果我们将应用波长视作一个主要参数，可以看到，在经典的硅光子学中（光波在硅材料中被引导），透明度开始于一微米以上。这一点非常适合许多光纤应用，特别是通信。

然而，还有更多需要在较低波长下进行光传播的应用，这是硅光子学不能满足的。氮化硅具有从可见光到中红外的透明度窗口（transparency window），这为实现新的应用开辟了道路。除此之外，与硅或磷化铟相比，氮化硅的传播损耗极低。最后（但并非最不重要的）一点是，由于氮化硅具有大带隙，因此几瓦特CW激光功率的高功率传播是可能的。这就是氮化硅能够提供出色性能以控制芯片电路中的光，同时具备前所未有的低传播损耗和高功率处理能力的原因所在。

现有的应用

电信和数据通信行业是目前最大的PIC消费用户群之一。降低光学损耗在这些领域变得越来越重要，因为光学损耗不仅影响能耗，还会影响器件的性能。用于波分（比如MUX和DEMUX）的阵列波导光栅（AWG）的串扰性能与光传播损耗成正比。具有高传播损耗的AWG在其臂中逐步累积相位误差，因而导致通道之间的串扰增加。另一个关键参数是使AWG具有低温度依赖性，以尽量减少力的原因所在。热效应对器件性能的影响。

氮化硅的温度依赖性比硅低10倍。此外，还需要一种优良的过程控制，以确保正确的波段选择。统计过程控制利用LIGENTEC公司的制备平台保证了这一点。特别是对于AWG，LIGENTEC的专有技术提供了竞争优势，因为不仅波导的损耗非常低，而且由于该平台常见的小弯曲半径，所以阵列波导光栅的面积尺寸很小。波导中的光学模式的高约束使之成为可能。LIGENTEC平台提供了非常低的相位误差以及小的占位面积。

 

新的应用

上述优点对于其他新的应用也是具有极为重要意义的。例如，为了实现全自动驾驶，预计用于长距离传感的下一代LiDAR传感器将基于相干检测。这里，反射的光束与一个局部振荡器混合，滤除所有并非从物体反射回来的光。这些相干检测方案相当复杂，并且显著得益于光子集成。

 

此类调频连续波激光雷达（FMCW LiDAR）的关键要求是：能够传输高的光学功率；具有低传播损耗和低相位误差；最后（但同样重要的）一点是发送和接收通道之间的串扰应很低。这里的一个关键构建块是用于控制激光信号调制的延迟线干涉仪。延迟线的长度是一个至关重要的性能参数，因为它直接关系到距离测量的精度。由于传播损耗低，弯曲半径短，因此芯片上的延迟线长度可以达到1m。这与低相位噪声相结合，实现了高分辨率的FMCW LiDAR解决方案。

要使量子计算机成为现实，最有希望的途径之一是运用光子。实现可扩展光子量子计算机的唯一方法是借助光子集成，这里，量子态是以光学方式生成和处理的。各个组件之间的高相位稳定性是保持量子态的一项绝对要求。芯片技术提供的相位稳定性是分立光学组件无法实现的。此外，量子计算机需要数百个节点才能与经典计算机竞争，同时，用于每个节点的组件必需很小，并有可扩展性。基于上述所有原因，光子集成是实现光子量子计算机的唯一途径。在量子光子学中，每个光子都很重要，面临的最大挑战是需将光子损失保持在最低限度。因此，低损耗的PIC平台是实现成功光子集成的一个关键要求。

最近，领先的量子计算公司Xanadu首次演示了在室温下使用LIGENTEC氮化硅芯片技术的云量子计算。

为了应对现有应用和新的应用，LIGENTEC开发了一款可以与广泛的工艺设计套件（PDK）配合使用的工艺制备产品。波导宽度是一个设计参数，有10多个工艺模块可用于创建多种有用的功能，例如：脊型波导、双层波导、热调谐元件以及用于传感应用或与其他材料的异质集成的局部包层开口。

另外，PDK库还包括一大批具有已知性能和统计数据的组件和构建块，供设计人员作为构件用于构建电路。这些构建块从各种波导到分路器、交叉点、延迟线到滤波器、偏振旋转器和偏振滤光器等均在其列。其他构建块包括反射镜，以及用于光纤输入和输出耦合的组件等等。这得到了具有商用软件的设计流程和拥有平台专业知识的设计公司的支持。

由于氮化硅是一种固有的无源材料，因此LIGENTEC开发了特殊的制备模块以集成活性材料。通过异质集成，可以将选择的材料置于SiN波导的顶部。例如，考虑一个基于Mach-Zehnder干涉仪的调制器，其中光相位在一个臂上改变，组合产生的输出被调制，以实现调制速度达到几十GHz的快速开关或调制器。通过将一块铌酸锂直接放在SiN波导的顶部，部分光线将在上部材料中传播，这样就可以对其进行操纵了。

相同的原理可以应用于黏合III-V族化合物半导体材料组件，如激光器或检测器。

2021年9月，LIGENTEC宣布在X-FAB代工厂生态系统内实施其专有的低损耗氮化硅工艺技术。凭借这一合作关系，PIC生态系统所有的基本元件现在都可以在欧洲达到批量上市的水平，对于实现自动驾驶汽车、量子计算机、生物传感器和其他应用所需的大量传感器的安全、独立供应来说，这是一个关键的条件。由于和X-FAB的这种战略合作关系，LIGENTEC现在可以接受基于200mm晶圆的低损耗SiN PIC的批量生产要求。通过这种方式，LIGENTEC期待着为其现有的客户群和新客户扩大其快速周转、高质量、低损耗PIC产品供应。

审核编辑 黄宇