导言
光电芯片（PIC）改变了从电信到量子计算等各个行业。这些微小的芯片将光电器件集成到半导体材料上，能够以以前无法想象的方式操纵和控制光。然而，PIC 的制造仍然是一个巨大的挑战，在这些器件充分发挥其潜力之前，还有许多障碍需要克服。在本文中，我们将探索PIC的制造世界，深入探讨塑造这一快速发展领域的各种材料、工艺和趋势[1]。
什么是PIC？
PIC是在二氧化硅（二氧化硅或玻璃）等半导体材料上形成的光子线路，允许光通过。与电芯片（EIC）类似，PIC包含用于操纵穿过线路的光线的组件。然而，PIC 并不像电芯片那样成熟，因为在电路中使用光而不是电存在着巨大的挑战，例如如何在不损失大量光强度的情况下产生光或将光注入线路。
与现有解决方案相比，PIC 具有众多优势，尤其是在通信市场。与EIC相比，能提供更高的数据传输效率、更大的带宽密度、更低的延迟和更精确的结果。然而，也面临着巨大的劣势，包括较大的芯片面积要求、较低的成熟度和较高的制造成本，这些都限制了其目前的市场增长。
PIC背后的材料
PIC 可以使用多种材料制造，每种材料都有其独特的性能和应用。在 SPIE Photonics West 2024 会议上，不同的代工厂展示了几种材料：
1.绝缘体上硅（SOI）： 硅是制造波导和其他光电器件的理想材料，因为它在光电子技术（尤其是通信）的重要频率上光损耗低。然而，硅是一种间接带隙半导体，这意味着仅靠这种材料很难产生光。因此，必须将其他材料（通常是铟磷（InP））与硅集成在一起，才能形成完整的专用集成电路系统。
2.氮化硅（SiN）： 自 20 世纪 80 年代以来，氮化硅一直被用于硅基光电子技术中，近年来，氮化硅再次受到青睐。氮化硅工艺中用氮化硅取代 SOI 系统中的硅，形成了氮化硅和二氧化硅相结合的系统。与硅相比，氮化硅在某些频率下的光损耗更低，透明度窗口更宽，因此适合应用于医疗诊断和其他使用可见光谱光的领域。
3.铟磷（InP）：铟磷是半导体材料，可以探测和发射光，使其在某些频率下具有光学透明性，包括电信中使用的关键波长 1550 纳米。InP 可以与硅芯片结合，形成异质或混合芯片，从而实现PIC的单片集成。
4.薄膜铌酸锂（TFLN）：TFLN 具有中等波克尔斯效应和电光系数，以及中等光学损耗和较大非光学系数的材料。它的波克尔斯效应和商业成熟度使其在高性能电光调制器中得到应用。
5.铒（Er）：稀土掺杂的光放大器 PIC（如使用铒的 PIC）在温度敏感增益、高输出功率和低互调噪声方面具有优势。
晶圆是将 PIC 设计转化为有形产品的过程。晶圆是多个裸芯片（单个芯片）的集合，这些裸芯片间距很近，并在一次生产流程中生长。之所以在相对较大的晶圆上生产多个 PIC，而不是单个制造，是因为规模经济：在一个晶圆上放置多个 PIC 可以实现批量生产，生产率与成本成反比（生产的晶圆越多，产量越高，工艺成本越低）。并非所有产品公司都能生产晶圆，因为创建制造设施需要大量投资，通常需要数十亿美元。生产晶圆的成本取决于材料，但一般归因于所涉及的高温（通常超过 1000°C）、晶圆切割所需的精密技术、确保清洁环境所需的设备，以及每个晶圆可能超过 10 万美元的成本。对于学术界、初创企业和资源有限的企业来说，MPW为小批量生产初始设计提供了具有成本效益的方法。MPW 是设计人员提交 PIC 设计以供制造的晶圆，由此产生的晶圆包括来自多家公司的设计，并重复多次。这样，设计人员就可以收到几个用于测试和开发的芯片，而无需支付订购整个晶圆的巨额费用。4.如果 PIC 不符合公差要求，设计人员会调整设计或代工厂调整工艺，然后重新制造器件。5.一旦 PIC 符合设计公差要求，即可开始批量生产。晶圆有不同的尺寸，取决于材料和制造工艺的成熟程度。一般来说，较成熟的材料采用较大的晶圆制造，以利用规模经济的优势。- SOI/SiN：目前的典型尺寸为 200 毫米或 300 毫米。- InP：目前的尺寸从 2 英寸（50.8 毫米）到 4 英寸（101.6 毫米）不等。许多晶圆代工厂正积极投资于更大尺寸的晶圆，以提高产量和可扩展性，从而大大降低单位芯片的成本。在 SPIE Photonics West 2024 大会上，出现有关 PIC 制造的趋势和挑战：1.消除制造问题：晶圆代工厂正在努力改进其工艺开发套件（PDK），以提高提交的设计与最终制造产品之间的相关性。消除制造问题对于缩短开发时间和降低任何 PIC 的总体成本很重要。2.缩短周期：晶圆代工厂正在积极改进其生产流程，以缩短生产晶圆所需的时间。许多代工厂正在投资于缩短周期时间多达 50% 的战略。3.提高产量和可扩展性：为满足日益增长的需求，晶圆代工厂正在寻求提高产能，可能会从欧盟芯片法案等倡议中获得资助。他们还在探索提高可扩展性的方法，如投资更大尺寸的晶圆。领先的研究和情报公司 IDTechEx 预测，在不久的将来，将有更多的研发代工厂扩大规模，更多的工艺上线。随着制造问题和周期时间的减少，PIC 器件的开发时间也将大大缩短，从而有可能开启一个类似于电子行业摩尔定律的 PIC 快速开发新时代。成本的降低还能开辟新的市场，例如用于生物医学应用的一次性 PIC。PIC的制造是一个快速发展的领域，研究人员和公司不断突破可能的极限。随着 PIC 价格的不断下降和制造工艺的日益简化，我们可以预见，将有更多种类的 PIC 产品进入市场，为从电信到量子计算的各个行业带来革命性的变化。然而未来并非没有挑战，必须针对特定应用精心选择和优化材料，还必须改进制造工艺以减少缺陷和提高产量。此外，在单个芯片上集成光子和电子组件仍然是一个重大障碍，需要创新的解决方案以及研究人员和制造商之间的合作。尽管存在挑战，但掌握 PIC 制造技术的潜在回报是巨大的。这些微小的芯片是开启技术新领域的钥匙，可以实现更快的数据传输、更先进的计算能力以及基于量子的应用。[1] J. Falkiner, "Photonic Integrated Circuit Manufacturing," presented at SPIE Photonics West 2024.
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