硅基光子集成的發(fā)展及其相關(guān)技術(shù)簡述

目前，鍵合技術(shù)主要有直接鍵合SiO2/SiO2中間層鍵合和苯并環(huán)丁烯(BCB)膠粘劑鍵合三種方式。

直接鍵合工藝簡單成熟，鍵合強度大。然而鍵合強度很大程度上依賴于晶片表面的潔凈度、粗糙度、粗糙度需小于1nm，并需要對晶片表面進行活化處理。同時在完成預鍵合后需要在超低真空條件下進行退火處理，整個工藝過程十分復雜，并且對設(shè)備有很高的要求，另外對鍵合材料的選擇也有較大的限制。

SiO2/SiO2中間層鍵合實際上也是一種直接鍵合的方法，不同的是它在鍵合之前分別在兩個待鍵合晶片表面生長了一層SiO2。它的優(yōu)點在于鍵合強度大，能精確控制中間層的厚度，并對材料性能影響較小。然而與直接鍵合類似，SiO2/SiO2中間層鍵合對熱氧化和等離子體化學氣相沉積(PECVD)的SiO2層的表面粗糙度要求高，對晶片表面要進行嚴格的處理，并且對處理的環(huán)境要求高。

BCB鍵合法在工藝難度和要求上都明顯簡單許多，,而且還能保持較好的鍵合界面平整度和較少的界面空位。同時，鍵合溫度低，受界面粗糙度和潔凈度的影響較小，鍵合得到的界面空位少，并且它還可以在有結(jié)構(gòu)的晶片表面進行鍵合。利用這個特性，我們可以實現(xiàn)SOI波導結(jié)構(gòu)和Ⅲ-Ⅴ族半導體材料有源器件的集成。這個方法也徹底突破了不同材料間鍵合的限制，能靈活自如地運用于各種器件的集成，同現(xiàn)有的工藝技術(shù)完全兼容，是一種十分具有發(fā)展前景的鍵合方法。

下面主要介紹一下苯并環(huán)丁烯(BCB)膠粘劑鍵合法，苯并環(huán)丁烯(benzocyclobutene,簡稱BCB)是一種目前較常用的圓片級有機粘結(jié)材料，通常用于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)器件中的粘結(jié)工藝，近年來開始用于圓片級鍵合。它是一種有機高分子聚合物，綜合性能優(yōu)異，具有低的介電常數(shù)，長波范圍內(nèi)的光學損耗低。在較低的溫度下固化后，它具有非常好的化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和高的平整度。其鍵合過程如圖3所示：

2.3光電集成

硅基光子集成之后的下一步目標是硅基光電集成， 不僅將光子器件集成在一個模塊上， 還要包括電子器件。 相比于光子集成， 光電集成要求更高。目前光電集成多用于集成有源光子器件和其外部驅(qū)動電路。

2013 年Luxtera 公司[10] 提出用硅光子學實現(xiàn)光互連應(yīng)用中的光電一體化集成， 他們將芯片分為光子芯片和電子芯片， 用微小銅柱將兩個芯片倒裝焊粘連到一起。 如圖4 所示。 這里MZI 為馬赫-曾德爾干涉儀，以銅柱作為光學器件與電學驅(qū)動器件之間的連接元件可以充分減小電容的寄生效應(yīng)，這樣做不僅保持了光子芯片和電子芯片各自的優(yōu)勢， 也保證了其應(yīng)有的可擴展性以應(yīng)對未來的數(shù)據(jù)速率和功耗要求。

結(jié)語

硅光子學中成熟的CMOS 工藝為光子集成回路制造提供了極好的技術(shù)基礎(chǔ)。 而基于人們的要求， 下一步硅基光子的發(fā)展趨勢將是更高速率、更低功耗以及更集成化。 目前人們對于硅基光子集成方面的研究工作仍然比較多， 下一步研究工作將不僅局限于硅基單片集成，而要逐漸擴展到硅基混合集成和硅基光電集成， 并且日后硅基光電集成將作為硅基光子學發(fā)展的更高目標。