一是推動(dòng)產(chǎn)業(yè)集聚。圍繞格恩半導(dǎo)體上下游開展產(chǎn)業(yè)鏈“延強(qiáng)補(bǔ)”,積極引進(jìn)上游氮化鎵襯底、原輔料,下游高性能器件封裝及激光、LED照明等終端應(yīng)用企業(yè),打造氮化鎵半導(dǎo)體未來產(chǎn)業(yè)先導(dǎo)區(qū)。目前氮化鎵激光產(chǎn)業(yè)基地陸續(xù)招引、洽談項(xiàng)目14個(gè),總投資61.99億元。
圖片來源:拍信網(wǎng)正版圖庫
二是促進(jìn)產(chǎn)業(yè)配套。開展專項(xiàng)產(chǎn)業(yè)對(duì)接2次,深化格恩半導(dǎo)體與銅陵鎵特、全色光顯、合肥芯碁微電子等省內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)合作。梳理全市115家電子信息企業(yè)產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域,聚焦光電器件、半導(dǎo)體芯片等領(lǐng)域推進(jìn)本地配套,推動(dòng)葉集欣奕華半導(dǎo)體電子材料生產(chǎn)基地項(xiàng)目與格恩半導(dǎo)體圍繞光刻膠產(chǎn)品洽談配套合作。
三是優(yōu)化要素保障。推動(dòng)政策傾斜。在制造業(yè)融資財(cái)政貼息、國(guó)家級(jí)小巨人、省級(jí)專精特新和數(shù)字化轉(zhuǎn)型示范項(xiàng)目領(lǐng)域重點(diǎn)向氮化鎵激光產(chǎn)業(yè)基地傾斜。打造科研平臺(tái)。成功建成格恩半導(dǎo)體省級(jí)博士后科研工作站,正在建設(shè)省工程研究中心、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心、制造業(yè)創(chuàng)新中心和企業(yè)技術(shù)中心等重點(diǎn)創(chuàng)新型平臺(tái)。開展融資支持。市產(chǎn)投子基金一期已投入3000萬元支持龍頭企業(yè)格恩半導(dǎo)體發(fā)展,目前正申請(qǐng)省級(jí)新材料產(chǎn)業(yè)主題母基金出資設(shè)立六安子基金,重點(diǎn)圍繞氮化鎵激光產(chǎn)業(yè)基地開展投資。(來源:六安市工信局)
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]]>根據(jù)協(xié)議,雙方將投資建設(shè)半導(dǎo)體激光雷達(dá)及傳感器件產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目,引進(jìn)激光雷達(dá)、半導(dǎo)體激光器、光收發(fā)器件等自動(dòng)化生產(chǎn)、檢測(cè)及輔助系統(tǒng)等設(shè)備,主要產(chǎn)品為激光雷達(dá)及傳感器件,項(xiàng)目預(yù)計(jì)今年6月底開工建設(shè),建設(shè)期18個(gè)月。
據(jù)悉,激光雷達(dá)及傳感器件主要應(yīng)用于以高級(jí)輔助駕駛(ADAS)、車聯(lián)網(wǎng)為主的車用以及機(jī)器人等領(lǐng)域,在自動(dòng)駕駛、智能巡檢、消防偵查、智慧農(nóng)業(yè)等行業(yè)應(yīng)用前景廣闊,隨著人工智能、5G技術(shù)的逐漸普及,未來激光雷達(dá)和傳感器行業(yè)將呈現(xiàn)技術(shù)、市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。
砷化鎵作為第二代半導(dǎo)體材料在光電領(lǐng)域中具有至關(guān)重要的作用,并且砷化鎵材料可以制造出高效的激光發(fā)射器。由于其電子遷移率高,砷化鎵激光器能夠產(chǎn)生高頻、高速的激光脈沖。
先導(dǎo)科技集團(tuán)是全球最大稀散金屬生產(chǎn)企業(yè),在半導(dǎo)體襯底領(lǐng)域,公司砷化鎵襯底材料出貨量全球第一。此外,先到科技還可生產(chǎn)磷化銦襯底和鍺襯底。
廣東先導(dǎo)稀材股份有限公司(source:清遠(yuǎn)高新區(qū)管委會(huì))
依托材料優(yōu)勢(shì),近年來開始布局傳感芯片、光電器件等產(chǎn)品研發(fā)制造,以垂直整合模式有效降低產(chǎn)品成本,形成競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)我國(guó)高端精密激光雷達(dá)核心部件自主可控。
消息指出,激光雷達(dá)及傳感器件產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目建成后,不僅為現(xiàn)有英望手機(jī)、恒芯電子等企業(yè)提供配套服務(wù),還將助力德州形成從材料、外延、芯片制造、封裝測(cè)試、器件模組到終端應(yīng)用更加完善的產(chǎn)業(yè)生態(tài),彌補(bǔ)了天衢新區(qū)第二代半導(dǎo)體、特別是制造環(huán)節(jié)的空白。(集幫化合物半導(dǎo)體Morty整理)
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]]>光子集成電路,將一系列光電功能組合在一塊芯片上,在日常生活中越來越常見。它們被用于連接數(shù)據(jù)中心服務(wù)器機(jī)架的高速光收發(fā)器,包括用于傳輸IEEE Spectrum網(wǎng)站的高速光收發(fā)器,用于保持自動(dòng)駕駛汽車在軌道上的激光雷達(dá),用于發(fā)現(xiàn)大氣中的化學(xué)物質(zhì)的光譜儀,以及許多其他應(yīng)用。所有這些系統(tǒng)都變得越來越便宜,在某些情況下,通過使用硅制造技術(shù)制造大部分集成電路,在經(jīng)濟(jì)上已經(jīng)變得可行。
工程師們已經(jīng)能夠在硅光子芯片上集成幾乎所有重要的光學(xué)功能,包括調(diào)制和檢測(cè)的基本功能,除了一項(xiàng):發(fā)光。硅本身不能有效地做到這一點(diǎn),所以由所謂的III-V材料制成的半導(dǎo)體,以其成分在周期表上的位置命名,通常用于制造單獨(dú)封裝的組件來發(fā)光。
如果你可以在你的設(shè)計(jì)中使用外部激光二極管,那就沒有問題。但最近有幾個(gè)因素促使工程師們將激光與硅光子學(xué)集成起來。例如,可能沒有空間放置單獨(dú)的光源。植入體內(nèi)用于監(jiān)測(cè)血糖水平的微型設(shè)備可能會(huì)面臨這個(gè)問題?;蛘邞?yīng)用程序的成本可能需要更緊密的集成:當(dāng)你可以在一塊硅片上安裝數(shù)百或數(shù)千個(gè)激光器時(shí),你最終將獲得比需要連接單獨(dú)芯片更低的成本和更高的可靠性。
有很多方法可以實(shí)現(xiàn)激光和硅的這種更緊密的集成。在位于比利時(shí)的納米電子研發(fā)中心 Imec 工作,我們目前正在推行四種基本策略:倒裝芯片加工、微轉(zhuǎn)移印刷、晶圓鍵合和單片集成。以下是關(guān)于這些方法如何工作、它們的可擴(kuò)展性和成熟度水平以及它們的優(yōu)缺點(diǎn)的指南。
在倒裝芯片鍵合中,激光芯片 [左] 被單獨(dú)轉(zhuǎn)移并鍵合到硅光子晶圓上。
倒裝芯片集成
將激光器直接集成到硅晶圓上的一種直接方法是芯片封裝技術(shù),稱為倒裝芯片工藝,顧名思義。
芯片的電氣連接在頂部,最上層的互連終止于金屬焊盤。倒裝芯片技術(shù)依賴于連接到這些焊盤上的焊球。然后將芯片翻轉(zhuǎn)過來,使焊料與芯片封裝上的相應(yīng)焊盤對(duì)齊(或者在我們的例子中是另一個(gè)芯片上)。然后焊料熔化,將芯片粘合到封裝上。
當(dāng)試圖將激光芯片鍵合到硅光子芯片時(shí),這個(gè)概念是相似的,但更為嚴(yán)格。邊緣發(fā)射激光器在晶圓上進(jìn)行全面加工,切割成單獨(dú)的芯片,并由供應(yīng)商進(jìn)行測(cè)試。然后使用高精度版本的倒裝芯片工藝將單個(gè)激光芯片鍵合到目標(biāo)硅光子晶圓上,一次一個(gè)激光芯片。困難的部分是確保邊緣發(fā)射的激光輸出與硅光子芯片的輸入對(duì)齊。我們使用稱為對(duì)接耦合的工藝,其中激光器放置在硅的凹陷部分,因此它橫向鄰接硅光子波導(dǎo)的蝕刻面。
為此,倒裝芯片工藝需要在所有三個(gè)維度上都達(dá)到亞微米級(jí)的對(duì)準(zhǔn)精度。在過去的幾年里,已經(jīng)開發(fā)出專門的倒裝芯片焊接工具來完成這項(xiàng)工作,我們和我們的合作者和開發(fā)伙伴已經(jīng)使用它們來優(yōu)化組裝過程。利用使用機(jī)器視覺來保持精確對(duì)準(zhǔn)的先進(jìn)拾取和放置工具,我們可以在短短幾十秒內(nèi)放置和鍵合精度優(yōu)于 500 納米的激光設(shè)備。
2021 年,我們還建立了晶圓級(jí)硅光子工藝,以提高這一性能。它將機(jī)械對(duì)準(zhǔn)基座和更精確蝕刻的對(duì)接耦合接口添加到硅芯片上,以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于幾百納米的垂直對(duì)準(zhǔn)。使用這些技術(shù),我們?cè)?300 毫米硅光子晶圓上組裝了某些激光設(shè)備。我們很高興地看到,來自每個(gè)設(shè)備的 50 毫瓦激光中有多達(dá) 80% 被耦合到與其相連的硅光子芯片中。在最壞的情況下,整個(gè)晶圓上的耦合度仍然在 60% 左右。這些結(jié)果可與主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的耦合效率相媲美,主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)是一個(gè)更耗時(shí)的過程,其中來自激光器本身的光用于引導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)過程。
倒裝芯片方法的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是配對(duì)芯片類型的簡(jiǎn)單性和靈活性。因?yàn)樗鼈兛梢栽诂F(xiàn)有的生產(chǎn)線上生產(chǎn),附加工程有限,所以它們每個(gè)都可以從多個(gè)制造商處采購(gòu)。而且,隨著市場(chǎng)需求的增加,越來越多的供應(yīng)商提供倒裝芯片組裝服務(wù)。另一方面,該過程的順序性質(zhì)——每個(gè)激光芯片都需要單獨(dú)拾取和放置——是一個(gè)重大缺陷。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看,它限制了制造吞吐量和大幅降低成本的潛力。這對(duì)于成本敏感的應(yīng)用(如消費(fèi)產(chǎn)品)以及每個(gè)芯片需要多個(gè)激光設(shè)備的系統(tǒng)尤為重要。
使用倒裝芯片方法的高精度版本將激光芯片連接到硅光子芯片上。
微轉(zhuǎn)印
微轉(zhuǎn)移印刷消除了對(duì)接耦合的一些對(duì)齊困難,同時(shí)還加快了組裝過程。與倒裝芯片工藝一樣,發(fā)光器件生長(zhǎng)在 III-V 族半導(dǎo)體基板上。但有一個(gè)很大的不同:III-V 晶圓沒有被切割成單獨(dú)的芯片。相反,晶圓上的激光器被底切,因此它們僅通過小系繩連接到源晶圓。然后用類似墨水印章的工具將這些設(shè)備一起撿起來,打破系繩。然后,印模將激光器與硅光子晶圓上的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對(duì)齊,并將它們粘合在那里。
倒裝芯片技術(shù)使用金屬焊料凸點(diǎn),而微轉(zhuǎn)移印刷使用粘合劑,甚至可以僅靠分子鍵合,這依賴于兩個(gè)平面之間的范德華力,將激光固定到位。此外,硅光子芯片中光源和波導(dǎo)之間的光學(xué)耦合通過不同的過程發(fā)生。該過程稱為漸逝耦合,將激光器放置在硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的頂部,然后光“滲入”其中。雖然以這種方式傳輸?shù)墓β瘦^少,但漸逝耦合比對(duì)接耦合要求的對(duì)準(zhǔn)精度低。
具有更大的對(duì)齊容差使該技術(shù)能夠一次傳輸數(shù)千個(gè)設(shè)備。因此,原則上它應(yīng)該允許比倒裝芯片處理更高的吞吐量,并且是要求在每單位面積上集成大量 III-V 族組件的應(yīng)用的理想選擇。
盡管轉(zhuǎn)印是制造 microLED 顯示器的既定工藝,例如許多增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品所需的顯示器,但尚未準(zhǔn)備好打印激光或光學(xué)放大器。但我們到了那里。
去年,Imec 成功地使用轉(zhuǎn)移印刷將此類光源連接到包含硅光子波導(dǎo)、高速光調(diào)制器和光電探測(cè)器的晶圓上。我們還印刷了可調(diào)諧超過 45 nm 波長(zhǎng)的紅外激光器和適用于基于芯片的光譜系統(tǒng)的高脈沖能量設(shè)備。這些只是為了演示目的而制作的,但我們沒有看到這種方法無法以高產(chǎn)量取得良好結(jié)果的根本原因。因此,我們預(yù)計(jì)該技術(shù)將在幾年內(nèi)準(zhǔn)備好部署到生產(chǎn)線上。
在微轉(zhuǎn)移印刷中,激光芯片 [紅色矩形,左] 在其自己的晶圓上固定到位。郵票 [淺灰色] 一次拾取多個(gè)激光器并將它們放置在硅光子晶圓上。
晶圓鍵合
將發(fā)光元件與其硅光子學(xué)伙伴精確對(duì)齊是我們討論的兩種技術(shù)的關(guān)鍵步驟。但是有一種技術(shù),一種稱為 III-V 族硅晶圓鍵合的技術(shù),找到了解決方法。該方案不是將已構(gòu)建的激光器(或其他發(fā)光組件)轉(zhuǎn)移到經(jīng)過處理的硅晶片,而是將 III-V 族半導(dǎo)體的空白芯片(甚至小晶片)粘合到該硅晶片。然后,您可以在已有相應(yīng)硅波導(dǎo)的地方構(gòu)建所需的激光設(shè)備。
在轉(zhuǎn)移的材料中,我們只對(duì)結(jié)晶 III-V 材料的薄層感興趣,稱為外延層。因此,在與硅晶圓鍵合后,其余材料將被去除。可以使用標(biāo)準(zhǔn)光刻和晶圓級(jí)工藝在與底層硅波導(dǎo)對(duì)齊的外延層中制造激光二極管。然后蝕刻掉任何不需要的 III-V 材料。
英特爾 的工程師在過去十年中開發(fā)了這種方法,并于 2016 年推出了第一個(gè)用它構(gòu)建的商業(yè)產(chǎn)品——光收發(fā)器。這種方法允許高吞吐量集成,因?yàn)樗梢酝瑫r(shí)并行處理許多設(shè)備。與轉(zhuǎn)印一樣,它在 III-V 族和硅材料之間使用漸逝耦合,從而產(chǎn)生高效的光學(xué)界面。
III-V 族與硅晶圓鍵合的一個(gè)缺點(diǎn)是您需要大量投資來建立一條生產(chǎn)線,該生產(chǎn)線可以使用用于制造 200 毫米或 300 毫米的硅晶圓的工具來處理 III-V 族工藝步驟毫米直徑。這種工具與激光二極管鑄造廠中使用的工具非常不同,后者的典型晶圓直徑要小得多。
圖片在芯片到晶圓鍵合中,III-V 族半導(dǎo)體 [粉紅色] 的空白片被鍵合到已經(jīng)處理過的硅光子晶圓上。III-V 族材料在硅波導(dǎo)上方加工成激光器。然后蝕刻掉其余的 III-V 材料。
單片集成
將所涉及的兩種不同材料結(jié)合起來的理想方法是直接在硅上生長(zhǎng) III-V 族半導(dǎo)體,這種方法稱為單片集成。這將消除任何粘合或?qū)R的需要,并且將減少浪費(fèi)的 III-V 材料的數(shù)量。但要使這種策略切實(shí)可行,必須克服許多技術(shù)障礙。因此,Imec 和其他地方繼續(xù)朝著這個(gè)目標(biāo)進(jìn)行研究。
該研究的主要目的是創(chuàng)造具有低缺陷密度的結(jié)晶 III-V 材料。根本問題在于,硅中原子的晶格間距與感興趣的 III-V 族半導(dǎo)體中原子的晶格間距之間存在相當(dāng)大的不匹配——超過 4%。
由于這種晶格失配,在硅上生長(zhǎng)的每個(gè) III-V 層都會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變。僅添加幾納米的 III-V 薄膜后,晶體中就會(huì)出現(xiàn)缺陷,從而釋放累積的應(yīng)變。這些“失配”缺陷沿著穿透整個(gè) III-V 層的線形成。這些缺陷包括開路晶體鍵線和局部晶體畸變,這兩者都會(huì)嚴(yán)重降低光電器件的性能。
為防止這些缺陷破壞激光器,必須將它們限制在遠(yuǎn)離設(shè)備的地方。這樣做通常涉及鋪設(shè)一層幾微米厚的 III-V 材料,在下面的失配缺陷和上面的無應(yīng)變區(qū)域之間形成一個(gè)巨大的緩沖區(qū),激光設(shè)備可以在那里制造。加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校的研究人員報(bào)告了使用這種方法取得的出色進(jìn)展,展示了具有可靠壽命的高效砷化鎵基量子點(diǎn)激光器。
然而,這些實(shí)驗(yàn)只是在小規(guī)模上進(jìn)行的。將該技術(shù)擴(kuò)展到工業(yè)中使用的 200 或 300 毫米晶圓將很困難。添加厚緩沖層可能會(huì)導(dǎo)致各種機(jī)械問題,例如 III-V 薄膜內(nèi)部出現(xiàn)裂紋或晶圓彎曲。此外,由于有源器件位于如此厚的緩沖層之上,因此很難將光耦合到硅基板中的下方波導(dǎo)。
為了規(guī)避這些挑戰(zhàn),Imec 引入了一種稱為納米脊工程或 NRE 的單片集成新方法。該技術(shù)旨在迫使缺陷在如此有限的空間中形成,以便可以在與底層硅的界面上方略高于 100 nm 處構(gòu)建工作設(shè)備。
NRE 使用一種稱為縱橫比陷印的現(xiàn)象將缺陷限制在小區(qū)域。它首先在二氧化硅絕緣體層內(nèi)形成又窄又深的溝槽。在溝槽底部,也就是絕緣體與硅接觸的地方,一條凹槽切入硅中,使空隙的橫截面呈箭頭形。然后在溝槽內(nèi)生長(zhǎng)一層薄薄的 III-V 族晶體,應(yīng)變引起的失配缺陷被有效地捕獲在溝槽側(cè)壁,防止這些缺陷線穿透得更遠(yuǎn)。填充溝槽后,繼續(xù)生長(zhǎng)以在溝槽上方形成更大的 III-V 族材料納米脊。該納米級(jí)脊中的材料完全沒有缺陷,因此可用于激光設(shè)備。
大多數(shù)關(guān)于單片集成的研究都是在改進(jìn)單個(gè)設(shè)備和確定其故障原因的層面上進(jìn)行的。但 Imec 已經(jīng)在展示與該技術(shù)的完整晶圓級(jí)集成方面取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展,在 300 毫米硅試產(chǎn)線上生產(chǎn)了高質(zhì)量的基于 GaAs 的光電二極管。下一個(gè)里程碑將是基于與光電二極管類似設(shè)計(jì)的電泵浦激光器的演示。Nanoridge 工程仍在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行開發(fā),但如果成功,無疑將對(duì)這個(gè)行業(yè)產(chǎn)生巨大影響。
Nanoridge engineering 在硅中特殊形狀的溝槽中生長(zhǎng)適用于激光的半導(dǎo)體。溝槽的形狀將缺陷 [插圖] 置于激光器構(gòu)造區(qū)域的下方。
硅激光器的前景
在接下來的幾年里,這里討論的每一種方法都肯定會(huì)取得進(jìn)一步進(jìn)展。我們預(yù)計(jì)它們最終將共存以滿足不同的應(yīng)用程序需求和用例。
相對(duì)適中的安裝成本和倒裝芯片激光器組件的準(zhǔn)備就緒將使近期產(chǎn)品成為可能,并且對(duì)于每個(gè)光子 IC 只需要一個(gè)或幾個(gè)激光器的應(yīng)用特別有吸引力,例如數(shù)據(jù)中心使用的光收發(fā)器。此外,這種方法固有的靈活性使其對(duì)需要非標(biāo)準(zhǔn)激光波長(zhǎng)或不常見的光子技術(shù)的應(yīng)用具有吸引力。
對(duì)于每個(gè)光子 IC 需要多個(gè)激光器或放大器的大批量應(yīng)用,轉(zhuǎn)移印刷和芯片到晶圓鍵合提供更高的制造吞吐量、更小的耦合損耗,并有可能進(jìn)一步降低成本。因?yàn)檫@里的設(shè)置成本要高得多,所以適合這些技術(shù)的應(yīng)用程序必須有很大的市場(chǎng)。
最后,硅上的直接 III-V 族外延,例如 NRE 技術(shù),代表了激光集成的最高水平。但我們和其他研究人員必須在材料質(zhì)量和晶圓級(jí)集成方面取得進(jìn)一步進(jìn)展,才能釋放其潛力。(文:半導(dǎo)體行業(yè)觀察編譯自spectrum)
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