导读
多材料异质集成技术为集成光学器件及应用的发展提供了新思路和新方法。近日，九峰山实验室联合中国科学院上海微系统与信息技术研究所、中山大学、联合微电子中心、中国科学院微电子研究所共同撰写特邀综述论文“硅基多材料异质集成平台研究进展”。文章系统梳理了五种先进的硅基多材料异质集成平台的工艺实现路径，介绍了国内外硅光异质集成平台的发展现状与工艺能力，并总结分析了异质集成技术路线未来的挑战和发展趋势。该文被选为《光学学报》“异质集成光子器件及应用”专题（第46卷第13期）封面文章。
图1 该文被选为《光学学报》“异质集成光子器件及应用”专题（第46卷第13期）封面文章
01 研究背景
单一硅光平台面临材料本征局限
在信息技术飞速发展的今天，人工智能算力、超大规模数据中心与高速光互连对光子集成芯片的带宽、功耗与集成密度提出了前所未有的挑战。单一光电材料平台面临的功能受限与性能瓶颈日益凸显。
例如，硅体系缺乏高效发光和低损高效电光调制的能力；Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体体系价格昂贵，且集成密度低、规模难以进一步提高；铌酸锂平台难以独立实现光源、光放大及光探测。异质集成光子技术正是突破这一局限的关键路径。
通过异质集成技术，将不同光电材料体系的优异特性融合于同一衬底平台，实现光源、调制、传输、探测、非线性等功能元器件及其系统集成，这被认为是构建下一代高性能与高集成度光子芯片的理想之选。随着异质集成工艺平台的不断完善和标准化推动，硅基多材料异质集成平台有望成为AI时代的信息基础设施，为下一代信息系统的变革提供核心硬件支撑。
02 关键技术进展
五条异质集成路线的工艺特点与适用场景
图 2. 5种异质集成工艺路线的总结示意图
1）倒装芯片键合技术
倒装芯片键合技术主要用于将光源、电光调制器、光电探测器等有源芯片异质集成到硅光平台上，其核心在于同时解决电互连和光耦合两个关键问题。
该技术通过凸点制备、热压或回流焊键合，并借助光栅耦合或端面耦合，将有源芯片与硅或氮化硅波导实现低损耗耦合。该路线可独立设计硅光芯片与有源芯片，避免两种材料之间的性能权衡，目前正朝着更多材料体系、高密度晶圆级集成和新型互连材料方向发展。
2 ）微转印技术
微转印技术在有源晶圆制备完成后无需切成单独芯片，而是通过底切衬底使有源器件以微弱束缚连接固定在有源晶圆上，随后使用聚二甲基硅氧烷印章以并行方式将其释放到硅光子晶圆上。该方法具有较高的印刷集成效率，为异质集成提供了一种有前景的制备方案。其进一步成熟有赖于供应链建设、集成良率展示以及异质集成器件可靠性的验证。
3）芯片对晶圆键合技术
芯片对晶圆键合技术将Ⅲ-Ⅴ半导体的空白芯片键合到硅光子晶圆上，随后在相应硅波导位置构建并制备所需有源芯片，采用先键合后制备的思路，有助于解决倒装键合和微转印技术中的耦合对准问题，是一种高通量方法。该路线在硅光子后道工艺中仍需针对Ⅲ-Ⅴ集成进行优化和改进，这会带来额外的工艺成本。
4）晶圆级键合技术
晶圆级键合技术在满足密集集成需求的同时，也实现了有源器件和无源波导的异质集成，通常采用晶圆之间的直接键合或间接键合方案，其核心思路仍是先薄膜键合后加工制备。直接键合依靠晶圆表面原子间作用力直接结合，无需中间介质；当薄膜材料不完全满足条件时，通常需要增加键合缓冲中间层用于间接键合。此外，随着离子注入和单晶材料制备方案的成熟，薄膜铌酸锂、薄膜钛酸钡、薄膜钽酸锂、薄膜碳化硅等新型光电薄膜材料平台晶圆相继问世，进一步丰富了硅光异质集成晶圆及器件。
5） 异质外延生长技术
异质外延生长技术旨在实现多功能材料在硅光平台上的高质量、高密度和低成本单片异质集成。两种材料之间存在的较大晶格和热膨胀系数不匹配，会导致异质外延结构中产生高密度缺陷，从而限制晶圆尺寸和薄膜质量。多种缓冲层、域匹配外延和选择外延等方案被提出，通过控制优化反相边界、位错密度和堆垛层错等扩展缺陷密度，使各种材料能够在晶格失配的基底上生长。目前，异质外延生长工艺成本较高、薄膜质量受限，是限制Ⅲ-Ⅴ晶圆尺寸的关键问题。
03 前沿进展
九峰山实验室硅光异质集成技术平台
作为全球最大的光通信市场，中国在半导体产业升级背景下，已将硅光异质集成列为重要方向，国家级研发计划、区域产业集群与创新工艺平台相继布局。中国科学院微电子研究所、南京南智先进光电集成技术研究院、天津华慧芯、上海张江实验室、重庆联合微电子中心、湖北九峰山实验室等一批创新工艺平台相继布局。
其中，九峰山实验室在硅基光子异质集成方向聚焦芯片级封装堆叠、晶圆级混合集成和晶圆级单片集成三类光子集成方式，结合产业需求进行应用匹配研究与开发，具备从研发到中试批量量产的流片工艺能力。
其特色技术能力覆盖三个方面：一是芯片级封装贴装，包括光芯片晶粒与硅芯片或硅基晶圆级封装贴装；二是晶圆级混合集成，涵盖晶圆到晶圆异质键合技术、芯片集体到晶圆级异质键合，以及微转印异质集成技术；三是晶圆级单片集成，包括硅光晶圆SiN无源波导集成，以及硅光晶圆与BTO、锆钛酸铅（PZT）、相变材料等的集成工艺能力。
图3 九峰山实验室硅光异质集成技术平台
针对硅基半导体材料的功能缺失和性能瓶颈，九峰山实验室目前已实现激光、电光、相变、压电陶瓷等功能性材料的硅基异质集成，重点攻关8inch TFLN、Ⅲ-Ⅴ族材料、相变材料、BTO与PZT，以及12 inch低损耗SiN集成工艺与集成光子器件的研究与开发。
图4 九峰山实验室硅光异质集成技术平台工艺截面图
在Ⅲ-Ⅴ族材料集成方面，九峰山实验室采用晶粒集体到晶圆的键合工艺，实现Ⅲ-Ⅴ光源晶粒到8inch硅光晶圆的高良率键合（99%），片上Ⅲ-Ⅴ集成光源器件开启电压为0.84 V，输出光功率达10dBm。在微转印集成方向，采用过渡波导结构与微转印集成技术，研制出C波段Ⅲ-Ⅴ族异质集成高速光电探测器，室温响应度达0.7 A/W，暗电流为60 pA，3dB光电带宽≥40 GHz。
在铁电材料集成方面，九峰山实验室采用8 inch晶圆级低温异质键合工艺，制备出8inch硅光TFLN异质键合晶圆，并利用DUV光刻及干法刻蚀制备薄膜铌酸锂光波导，实现光信号的连续调控。在BTO方向，已实现8 inchSOI晶圆上BTO材料的外延生长、键合及硅基集成微环电光调制器件的全流程工艺研发，微环调谐效率可达117 pm/V，线性度超0.99。在PZT方向，于8inch SOI晶圆上实现PZT薄膜与硅光子器件的高质量异质集成，并制备了可调谐微环谐振腔器件。
图5 硅光TFLN调制器。
（a）调制器截面结构示意图；（b）调制器芯片示意图；（c）TFLN浅刻蚀波导SEM俯视图；（d）TFLN深刻蚀波导SEM俯视图；（e）TFLN波导SEM截面图；（f）TFLN与SiN波导光耦合模场分布
在相变材料集成方面，九峰山实验室与华中科技大学集成电路学院合作开发了相变材料低温键合和加工工艺（150 ℃），实现相变材料与CMOS兼容工艺的后道集成。实验室建立了8 inch晶圆级相变材料薄膜制备标准，实现5种以上相变材料的沉积，厚度均匀性±2%。光开关器件实现10 ns开关时间，消光比30 dB，功耗0.1 pJ/bit；可调谐滤波器实现100 nm调谐范围，插入损耗1 dB；可重构光分束器实现1×4~1×16动态重构；光子神经网络芯片实现90%识别准确率，能效比达10 TOPS/W。
图6 硅光PZT异质集成微环电光调制器。
（a）器件示意图；（b）PZT电极图形化刻蚀SEM；（c）器件SEM
未来，九峰山实验室将持续推进硅基光子异质集成技术的长期布局与创新发展，围绕硅基光子“器件性能极限突破、功能维度拓展以及系统级集成能力提升”三条主线，重点布局硅基集成电吸收调制光计算、相变光交换技术，以及硅基异质集成芯片间高速低功耗光互连技术等方向，优化高精度晶圆级键合集成工艺，助力实现多材料多功能的系统性集成。