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光电子学应用的增长要求解决设备技术在性能、制造和系统集成方面

日期:2021-4-23 类别: 阅读:354 (来源:互联网)

光子设备,如激光、光电探测器、microLED和光子集成电路,成为人脸识别、3D传感和激光成像、探测和距离(激光雷达)等一系列新技术的组成部分。硅基已经成为所有半导体集成电路技术的支柱,使得电脑、因特网、智能手机、人工智能和5G等电子技术不断发展。

长期来看,光子器件技术在激光扫描、印刷、通信和工业材料加工方面的应用。近几年LED照明大量使用。光子设备,如激光、光电探测器、microLED和光子集成电路,BQ2023PW成为人脸识别、3D传感和激光成像、探测和距离(激光雷达)等一系列新技术的组成部分。为适应当今应用的要求,这些技术要求设备结构创新、新材料开发、材料单片与异构集成、晶圆尺寸增大及晶圆加工。

引言

硅基已经成为所有半导体集成电路技术的支柱,使得电脑、因特网、智能手机、人工智能和5G等电子技术不断发展。但是,在某些应用中,光子设备技术能够满足技术和环境的要求。

化合物半导体,如砷化镓(GaAs)、磷化镓(InP)和氮化镓(GaN),有直接的能量间隙,支持光子设备技术,如激光和LED。利用1.3μm和1.5μm单模激光,磷砷化镓材料可以构建非常高效的光纤通信系统,目前已得到广泛应用。

由于砷化镓和氮化镓可见光LED技术的进步,灯饰照明行业已经生产出了高效率亮度LED产品,可应用于室内和室外照明,汽车照明和显示器。LED不仅提高能源效率,还为灯具设计师提供更多的自由度,使他们能从最新的汽车大灯设计中看到灯泡(图1)。

新出现的光子应用。

光电被视为3D传感器、自动驾驶车辆和光互连等新技术的重要能力者。正如电子一直是设计机械大脑的支柱,光子为未来的机械视觉提供了能量,而激光正是这些能量的来源。

三维感应器

由于智能手机的计算量越来越大,手机上的个人信息也越来越多,除了指纹识别和二维虹膜扫描的身份验证之外,还需要严格的安全设置。随着苹果公司2017年在iPhoneX上推出人脸识别功能,垂直腔发射激光(VCSEL)近年来受到了消费者市场的关注。VCSEL把成千上万的激光束射到使用者的脸部,收集这些激光束,生成一个3D脸部深度图,为使用者进行独特的识别(图2)。

一家领先的消费品制造商的最新产品扩展了这项技术,使用了飞行时间激光传感器,利用VCSEL在数米以外的场景中闪烁,并利用深度信息生成了这个空间的3D图像。举例来说,现在可以将家具和艺术品虚拟地放在空间,在购买之前就能看到使用效果。为保护眼睛,目前的技术在波长范围内受到限制,但是我们可以期待将来会有更长的波长,适用于更多设备,包括智能手机。

光是互相联系的。

常规形式的数据中心耗电量超过当今世界的2%,世界数据流量预计每四年翻一番。今后,利用电子包交换机实现机架间的数据传输将不能同时满足带宽和能耗的需求。在未来的几年中,数据中心业务模式将转向云计算,包括更多的数据处理和传输(图3)。

为了应对数据中心所面临的挑战,目前正在研究基于硅光子和磷化镓光子集成电路(AI)的光互连技术。100GbE的收发器模块已经投入市场,400GbE的稳定增长也在稳步推进。硅光子能比传统电子实现更快、更远的数据传输,同时利用上半导体激光以及高效率的硅制造。

雷射雷达

除了电气化,汽车业下一次大变革是自动驾驶。如今的三级自动驾驶要求高精度的无缝配合照明、探测、感知和决策系统(图4)。高清晰度、3D成像能力以及超过200米的可探测范围的激光雷达与以雷达或摄像机为基础的解决方案有着明显的不同,被广泛认为是自动驾驶的最佳解决方案。

有905nm和1550nm频率可供选择。有905纳米优先,拥有完善的激光和光探测系统。但由于1550nm的范围更广,眼睛的安全极限为905nm的40倍,因此业界正在积极研究。光束转向技术目前的评价技术包括机械旋转,MEMS和光控阵列。机械式旋转机在可靠性方面有很大的问题,最近MEMS的束流转向技术作为三级高级驾驶辅助系统被广泛应用,但其作用范围和视野有限。采用固体光学相控阵列进行光束转向,在性能、成本、外形尺寸等方面具有良好的前景,除自动控制外,还可应用到其他领域。为满足激光雷达系统在成本和性能方面的要求,需要大量采用异构集成或联合封装的激光、探测器和束控芯片。基于MEMS的激光雷达技术在满足这些工业需求方面显示了良好的应用前景。

微型LED

microLED技术除了能在电视、智能手机、智能手表等现有设备上获得更高的分辨率之外,还能用来制造出令人振奋的新产品,如图5所示,用于增强现实/虚拟现实(AR/VR)产品。这类新应用要求自发光的红绿蓝(RGB),而非颜色转换和过滤。在这方面,我们面临的挑战是实现RGBmicroLED裸片所需的量子效率,将microLED的高性价比转换为底板,测试每一个单独的microLED。目前正在研究开发创新的设备设计,优化外延生长,基础工程,裸眼方法和新的背板结构,microLED技术可以与现有的LCD(LCD)和有机LED技术竞争。

装备技术

用于这些新出现的光子应用的重要组件技术是激光、硅和砷化镓光电探测器,MEMS组件,氮化镓和砷化镓LED,硅和氮化硅(SiN)波导和光调制器。砷化镓激光器在三维传感应用中,由底部100毫米转向底部150毫米。在150毫米砷化镓基片和蓝宝石基片上分别生产高亮度应用砷化镓LED和氮化镓LED。但是,在一些应用中,microLED的应用是基于硅驱动RGBLED的需求。基于75毫米和100毫米磷化镓制造了磷化蔗激光二极管。合成半导体设备一般都是在成批反应器中进行加工,而制造重点越来越多地放在提高良率和晶片内部均匀度以及加强技术控制上,从而推动了单片设备的转变。

当前光束转向技术的MEMS设备主要依靠200毫米硅片MEMS生产线。硅光技术主要应用于200mm绝缘体硅(SOI)平台,不断向300mm晶片过渡,以解决200mm光刻、蚀刻等器件的技术局限性。为扩大光互连的速度和带宽包络,具有高光电系数的薄膜技术一直在研究之中。

以上提到的光子应用有望在未来5-10年获得巨大发展。据3D传感器、激光雷达、光接口和AR/VR数据显示,这四个重要应用的市场规模每年复合增长31%,2020年为80亿美元,2025年为233亿美元(图6)。三维感应技术正在寻求新的应用,激光雷达和AR/VR显示器仍在早期开发中,并有望以较高的年复合增长率增长。光电子学应用的增长要求解决设备技术在性能、制造和系统集成方面的问题。现在,各种力量正在推动对新工艺设备的需求。这不仅解决了设备的性能问题,而且实现了工艺上的卓越控制,提高了整体制造水平。