引言：光子器件技術(shù)在 激光 掃描和打印,、電信和工業(yè)材料加工等應(yīng)用中存在已久。近年來,， 發(fā)光二極管 （ LED ）照明得到了大規(guī)模應(yīng)用,。激光器、光電探測(cè)器,、 mi croLED和光子 集成電路 （ PI C）等光子器件成為一系列新技術(shù)的構(gòu)建模塊,，包括 人臉識(shí)別 、3D 傳感和激光成像、檢測(cè)和測(cè)距（ 激光雷達(dá) ）等,。為了滿足當(dāng)今的應(yīng)用需求,，這些技術(shù)需要?jiǎng)?chuàng)新的器件架構(gòu)、新材料開發(fā),、材料的單片和異構(gòu)集成,、更大的晶圓尺寸和單晶圓加工。
硅一直是所有半導(dǎo)體IC技術(shù)的支柱,，它使電子技術(shù)從 計(jì)算機(jī) ,、互聯(lián)網(wǎng)、智能手機(jī),，再到現(xiàn)在的人工智能和 5G 的發(fā)展成為可能,。然而，對(duì)于某些應(yīng)用來說,，光子器件技術(shù)更能滿足技術(shù)和環(huán)境要求,。
光子被認(rèn)為是3D傳感、自動(dòng)駕駛車輛和光互連等新興技術(shù)的重要賦能者,。正如電子一直是設(shè)計(jì)機(jī)器“大腦”的支柱一樣,，光子將“視覺”賦予未來機(jī)器，激光將是這些光子的來源,。
3D傳感
隨著智能手機(jī)越來越多用于計(jì)算,，手機(jī)上保留的個(gè)人信息也日益增多，這就需要嚴(yán)格的安全設(shè)置,，而不僅限基于指紋識(shí)別和二維虹膜掃描的身份驗(yàn)證,。繼蘋果公司2017年在iPhone X中推出人臉識(shí)別功能后，垂直腔面發(fā)射激光器 （VCSEL）近年來在消費(fèi)市場(chǎng)上引起了相當(dāng)大的關(guān)注,。VCSEL將數(shù)以萬計(jì)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(chuàng)建獨(dú)特的識(shí)別圖像（圖 2）,。
圖 2. VCSEL 是用于設(shè)備人臉識(shí)別技術(shù)的基礎(chǔ)
一家領(lǐng)先的消費(fèi)產(chǎn)品制造商的最新產(chǎn)品擴(kuò)展了這一技術(shù)，采用了飛行時(shí)間激光傳感器,，利用 VCSEL對(duì)幾米外的場(chǎng)景進(jìn)行閃光,，借助深度信息創(chuàng)建該空間的3D 圖像。例如,，現(xiàn)在能以虛擬形式將家具或藝術(shù)品放置在一個(gè)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(shù)在波長(zhǎng)范圍上是受限的,，但我們可以預(yù)期未來會(huì)發(fā)展到更長(zhǎng)的波長(zhǎng),，并適用于更多的設(shè)備，包括智能手機(jī),。
光互連
傳統(tǒng)形式的數(shù)據(jù)中心消耗了當(dāng)今世界2%以上的電力,，而全球數(shù)據(jù)流量預(yù)計(jì)每四年就會(huì)翻一番。未來,，使用電子分組交換機(jī)在機(jī)架之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸將無法同時(shí)滿足帶寬和能耗的要求,。數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)模式向云計(jì)算轉(zhuǎn)變，未來幾年將涉及更大量的數(shù)據(jù)處理和傳輸（圖 3）,。
圖 3. 云計(jì)算將加劇數(shù)據(jù)中心能耗的挑戰(zhàn)
目前正在開發(fā)基于硅光子和磷化銦光子集成電路（PIC）的光互連技術(shù),，以應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)中心面臨的這些挑戰(zhàn)。100GbE的收發(fā)器模塊已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng),，并在穩(wěn)步推向400GbE和更高的水平,。與常規(guī)的電子相比，硅光子能夠?qū)崿F(xiàn)更快,、更遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸,，同時(shí)還可以利用上半導(dǎo)體激光器以及大批量硅制造的效率。
激光雷達(dá)
汽車行業(yè)除了電氣化之外,，下一個(gè)大的范式轉(zhuǎn)變就是自動(dòng)駕駛,。今天的三級(jí)自動(dòng)駕駛，需要高度精密的照明,、檢測(cè),、感知和決策系統(tǒng)無縫協(xié)同工作（圖 4）。激光雷達(dá)的高分辨率,、3D成像能力和超過200米的可探測(cè)范圍,，與基于雷達(dá)或攝像頭的解決方案形成鮮明區(qū)別，已被廣泛認(rèn)為是自動(dòng)駕駛的最佳解決方案,。
自動(dòng)駕駛汽車的安全運(yùn)行需要許多不同系統(tǒng)的無縫協(xié)作
激光雷達(dá)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(cè)器生態(tài)系統(tǒng),。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(yè)界正在對(duì)其積極研究,。當(dāng)前正在評(píng)估的光束轉(zhuǎn)向技術(shù),，包括機(jī)械旋轉(zhuǎn),、MEMS和光學(xué)相控陣。機(jī)械旋轉(zhuǎn)在可靠性方面存在很大的問題,，而基于MEMS的光束轉(zhuǎn)向技術(shù)近來作為三級(jí)先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的選件出現(xiàn)在多款汽車上,，但在射程和視野上有限制,。用于光束轉(zhuǎn)向的固態(tài)光學(xué)相控陣處于早期開發(fā)階段，其在性能,、成本和外形尺寸方面具有不錯(cuò)的前景,，除了自動(dòng)駕駛之外，還可被應(yīng)用在更多方面,。為了滿足激光雷達(dá)系統(tǒng)在成本和性能上的要求,，需要在大批量制造中運(yùn)用異構(gòu)集成或共同封裝激光器、探測(cè)器和光束轉(zhuǎn)向芯片,。如今,，基于MEMS的激光雷達(dá)技術(shù)在滿足這些工業(yè)要求方面展現(xiàn)出喜人的前景。
MicroLED
除了在電視,、智能手機(jī)和智能手表等現(xiàn)有設(shè)備中實(shí)現(xiàn)更高的分辨率外,，microLED技術(shù)還可能用于打造令人興奮的新產(chǎn)品，如圖5 所示的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)（AR/VR）產(chǎn)品,。這些新的應(yīng)用需要自發(fā)光的紅綠藍(lán)（RGB）顯示,，而不是色彩轉(zhuǎn)換或過濾。這里涉及的挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn) RGB microLED 裸片所需的量子效率,，將 microLED經(jīng)濟(jì)高效地巨量轉(zhuǎn)移到背板上,，以及測(cè)試每個(gè)單獨(dú)的 microLED。創(chuàng)新的器件設(shè)計(jì),、外延生長(zhǎng)優(yōu)化,、襯底工程、裸片轉(zhuǎn)印方法和新的背板架構(gòu)正在研究和開發(fā)中,，以使 microLED 技術(shù)可與現(xiàn)有的液晶顯示器（LCD）及有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）技術(shù)相競(jìng)爭(zhēng),。
圖5
器件技術(shù)
實(shí)現(xiàn)這些新興光子應(yīng)用的關(guān)鍵器件技術(shù)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(cè)器,、MEMS器件,、氮化鎵和砷化鎵LED、硅和氮化硅（SiN）波導(dǎo)以及光學(xué)調(diào)制器,。對(duì)于3D傳感應(yīng)用,，砷化鎵激光器件正從100mm的襯底轉(zhuǎn)向150mm的襯底。用于高亮度應(yīng)用的砷化鎵和氮化鎵 LED分別在150mm砷化鎵襯底和藍(lán)寶石襯底上投產(chǎn),。不過,，在某些應(yīng)用中，microLED的應(yīng)用正在推動(dòng)對(duì)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(chǎn)的,。化合物半導(dǎo)體器件通常在批量反應(yīng)器中進(jìn)行加工,，但制造重點(diǎn)越來越多地放在提高良率和晶圓內(nèi)均勻性以及增強(qiáng)工藝控制上,，這相應(yīng)地推動(dòng)了向單晶圓加工設(shè)備的過渡,。
目前，用于光束轉(zhuǎn)向技術(shù)的MEMS器件依賴于200mm硅MEMS生產(chǎn)線,。硅光子技術(shù)主要在200mm絕緣體上硅（SOI）平臺(tái)上運(yùn)行,，并不斷推動(dòng)向300mm晶圓過渡，以解決200mm 光刻和刻蝕等設(shè)備的技術(shù)限制,。具有高電光系數(shù)的薄膜技術(shù)一直在研究之中,，以擴(kuò)展光互連的速度和帶寬包絡(luò)。
上述光子應(yīng)用預(yù)計(jì)在未來5-10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)巨大的增長(zhǎng),。3D 傳感,、激光雷達(dá)、光互連和AR/VR顯示,，這四大關(guān)鍵應(yīng)用的市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將以31%的復(fù)合年增長(zhǎng)率,，從2020年的80億美元增長(zhǎng)到2025年的233億美元（圖 6）。3D 傳感技術(shù)正在尋求新的應(yīng)用,，而激光雷達(dá)和AR/VR顯示器還處于早期發(fā)展階段,，預(yù)計(jì)將以更高的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。光電子應(yīng)用的增長(zhǎng)將需要解決器件技術(shù)在性能,、制造和系統(tǒng)集成方面的挑戰(zhàn),。如今，各種力量正在推動(dòng)對(duì)新工藝設(shè)備的需求,，這些設(shè)備不僅要能解決器件性能上的難題,，還能實(shí)現(xiàn)卓越的工藝控制，提高整體制造良率