光子器件技术的新兴之用
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应•视界 | 元宵佳节之日，为您带来IC前沿技术赏味 ！一起深度阅读来自应用材料公司光子和射频应用战略营销经理Shiva Rai的最新博客。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。
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。
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。近年来，垂直腔面发射激光器 (VCSEL)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。
VCSEL 是用于设备人脸识别技术的基础
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。
云计算将加剧数据中心能耗的挑战
目前人们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。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。激光雷达因高分辨率、3D成像能力和超过200米的可探测范围，已被广泛认为是自动驾驶的最佳解决方案。
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，不过由于1550nm的范围更广，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
microLED技术可用于打造增强现实/虚拟现实等令人兴奋的产品。这些新的应用需要自发光的红绿蓝(RGB)显示，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。
AR/VR 应用是受益于microLED 技术的消费产品之一
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。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。
新兴的光子应用将实现巨大增长
（资料来源：Yole Développement 报告）
*文章原载于NANOCHIP 2020年秋季刊，此篇内容为原文章的中文节选，仅供参考。欢迎点击下方“阅读原文”查看原文全部内容。
Shiva Rai
应用材料公司光子和射频应用战略营销经理
※本篇内容节选自应用材料公司博客文章，欲了解全部内容请点击“阅读原文”查看。
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