光子器件技術在激光掃描和打印、電信和工業材料加工等應用中存在已久。近年來，發光二極管（LED）照明得到了大規模應用。激光器、光電探測器、microLED和光子集成電路（PIC）等光子器件成為一系列新技術的構建模塊，包括人臉識別、3D 傳感和激光成像、檢測和測距（激光雷達）等。為了滿足當今的應用需求，這些技術需要創新的器件架構、新材料開發、材料的單片和異構集成、更大的晶圓尺寸和單晶圓加工。
引言
硅一直是所有半導體IC技術的支柱，它使電子技術從計算機、互聯網、智能手機，再到現在的人工智能和 5G 的發展成為可能。然而，對于某些應用來說，光子器件技術更能滿足技術和環境要求。
砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）和氮化鎵（GaN）等化合物半導體具有直接能量帶隙以支持激光和LED 等光子器件技術。利用磷砷化銦鎵（InGaAsP)材料的1.3μm和1.5μm單模激光器，可搭建出極其高效的光纖通信系統，如今已在使用。
隨著基于砷化鎵和氮化鎵的可見光LED技術的進步，照明行業已經生產出高效、高亮度的LED產品，用于室內外照明、汽車照明和顯示器。除了能效之外，LED還為照明設計師提供了更大的自由度，這一點可從最新的汽車大燈設計窺見一斑（圖 1）。
圖 1. 高亮度 LED 被應用在新近的汽車大燈設計中
新興光子應用
光子被認為是3D傳感、自動駕駛車輛和光互連等新興技術的重要賦能者。正如電子一直是設計機器“大腦”的支柱一樣，光子將“視覺”賦予未來機器，激光將是這些光子的來源。
3D傳感
隨著智能手機越來越多用于計算，手機上保留的個人信息也日益增多，這就需要嚴格的安全設置，而不僅限基于指紋識別和二維虹膜掃描的身份驗證。繼蘋果公司2017年在iPhone X中推出人臉識別功能后，垂直腔面發射激光器 （VCSEL）近年來在消費市場上引起了相當大的關注。VCSEL將數以萬計的激光束照射在用戶的臉上，然后收集這些激光束，生成面部的3D 深度圖，為該用戶創建獨特的識別圖像（圖 2）。
圖 2. VCSEL 是用于設備人臉識別技術的基礎
一家領先的消費產品制造商的最新產品擴展了這一技術，采用了飛行時間激光傳感器，利用 VCSEL對幾米外的場景進行閃光，借助深度信息創建該空間的3D 圖像。例如，現在能以虛擬形式將家具或藝術品放置在一個空間中，以便在購買前查看使用效果。為了眼睛的安全，如今的技術在波長范圍上是受限的，但我們可以預期未來會發展到更長的波長，并適用于更多的設備，包括智能手機。
光互連
傳統形式的數據中心消耗了當今世界2%以上的電力，而全球數據流量預計每四年就會翻一番。未來，使用電子分組交換機在機架之間進行數據傳輸將無法同時滿足帶寬和能耗的要求。數據中心業務模式向云計算轉變，未來幾年將涉及更大量的數據處理和傳輸（圖 3）。
圖 3. 云計算將加劇數據中心能耗的挑戰
目前正在開發基于硅光子和磷化銦光子集成電路（PIC）的光互連技術，以應對數據中心面臨的這些挑戰。100GbE的收發器模塊已經進入市場，并在穩步推向400GbE和更高的水平。與常規的電子相比，硅光子能夠實現更快、更遠距離的數據傳輸，同時還可以利用上半導體激光器以及大批量硅制造的效率。
激光雷達
汽車行業除了電氣化之外，下一個大的范式轉變就是自動駕駛。今天的三級自動駕駛，需要高度精密的照明、檢測、感知和決策系統無縫協同工作（圖 4）。激光雷達的高分辨率、3D成像能力和超過200米的可探測范圍，與基于雷達或攝像頭的解決方案形成鮮明區別，已被廣泛認為是自動駕駛的最佳解決方案。
圖 4. 自動駕駛汽車的安全運行需要許多不同系統的無縫協作。
激光雷達有905nm和1550nm兩種頻率選擇。其中905nm是首選，因其具備完善的激光器和光探測器生態系統。不過，由于1550nm的范圍更廣，而且眼睛的安全極限是905nm的40倍，因此業界正在對其積極研究。當前正在評估的光束轉向技術，包括機械旋轉、MEMS和光學相控陣。機械旋轉在可靠性方面存在很大的問題，而基于MEMS的光束轉向技術近來作為三級先進駕駛輔助系統（ADAS）的選件出現在多款汽車上，但在射程和視野上有限制。用于光束轉向的固態光學相控陣處于早期開發階段，其在性能、成本和外形尺寸方面具有不錯的前景，除了自動駕駛之外，還可被應用在更多方面。為了滿足激光雷達系統在成本和性能上的要求，需要在大批量制造中運用異構集成或共同封裝激光器、探測器和光束轉向芯片。如今，基于MEMS的激光雷達技術在滿足這些工業要求方面展現出喜人的前景。
MicroLED
除了在電視、智能手機和智能手表等現有設備中實現更高的分辨率外，microLED技術還可能用于打造令人興奮的新產品，如圖5 所示的增強現實/虛擬現實（AR/VR）產品。這些新的應用需要自發光的紅綠藍（RGB）顯示，而不是色彩轉換或過濾。這里涉及的挑戰是實現 RGB microLED 裸片所需的量子效率，將 microLED經濟高效地巨量轉移到背板上，以及測試每個單獨的 microLED。創新的器件設計、外延生長優化、襯底工程、裸片轉印方法和新的背板架構正在研究和開發中，以使 microLED 技術可與現有的液晶顯示器（LCD）及有機發光二極管（OLED）技術相競爭。
圖 5. AR/VR 應用是受益于 MicroLED 技術的消費產品之一
器件技術
實現這些新興光子應用的關鍵器件技術是基于砷化鎵和磷化銦的激光器、硅和砷化鎵銦（InGaAs）光電探測器、MEMS器件、氮化鎵和砷化鎵LED、硅和氮化硅（SiN）波導以及光學調制器。對于3D傳感應用，砷化鎵激光器件正從100mm的襯底轉向150mm的襯底。用于高亮度應用的砷化鎵和氮化鎵 LED分別在150mm砷化鎵襯底和藍寶石襯底上投產。不過，在某些應用中，microLED的應用正在推動對硅襯底上RGB LED的需求。磷化銦激光二極管是在75mm和100mm 磷化銦襯底上生產的。化合物半導體器件通常在批量反應器中進行加工，但制造重點越來越多地放在提高良率和晶圓內均勻性以及增強工藝控制上，這相應地推動了向單晶圓加工設備的過渡。
目前，用于光束轉向技術的MEMS器件依賴于200mm硅MEMS生產線。硅光子技術主要在200mm絕緣體上硅（SOI）平臺上運行，并不斷推動向300mm晶圓過渡，以解決200mm 光刻和刻蝕等設備的技術限制。具有高電光系數的薄膜技術一直在研究之中，以擴展光互連的速度和帶寬包絡。
上述光子應用預計在未來5-10年內實現巨大的增長。3D 傳感、激光雷達、光互連和AR/VR顯示，這四大關鍵應用的市場規模預計將以31%的復合年增長率，從2020年的80億美元增長到2025年的233億美元（圖 6）。3D 傳感技術正在尋求新的應用，而激光雷達和AR/VR顯示器還處于早期發展階段，預計將以更高的復合年增長率增長。光電子應用的增長將需要解決器件技術在性能、制造和系統集成方面的挑戰。如今，各種力量正在推動對新工藝設備的需求，這些設備不僅要能解決器件性能上的難題，還能實現卓越的工藝控制，提高整體制造良率。
圖 6. 新興的光子應用將實現巨大增長（資料來源：Yole Développement 報告）
作者簡介：
Shiva Rai 是應用材料公司光子和射頻應用戰略營銷經理
關于應用材料公司
應用材料公司（納斯達克：AMAT）是材料工程解決方案的領導者，全球幾乎每一個新生產的芯片和先進顯示器的背后都有應用材料公司的身影。憑借在規模生產的條件下可以在原子級層面改變材料的技術，我們助力客戶實現可能。應用材料公司堅信，我們的創新必能驅動先進科技成就未來。