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適用於新興市場 光子元件技術

By Shiva Rai


光子元件技術早已在雷射掃描及列印、電信和工業材料加工等應用中存在已久。近年來,發光二極體 (LED) 照明已被大量採用。雷射、光偵測器、microLED 和 光子積體電路 (PIC) 等光子元件成為一系列新技術的建構模組,包括了人臉識別、 3D 感測和雷射成像、偵測和測距(雷射雷達)等。為了滿足當今的應用需求,這些技術需要創新的元件架構、新材料開發、材料的單片和異質整合、更大的晶圓尺寸和單晶圓加工。

引言

矽一直是所有半導體 IC 技術的支柱,它使電子技術進展從電腦到網際網路到智慧型手機,再到現在的人工智慧和 5G 的發展成為可能。然而,對於某些應用來說,光子元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隙,能支援雷射和 LED 等光子元件技術。利用磷砷化銦鎵 (InGaAsP) 材料的1.3μm 和 1.5μm 單模雷射,就能創建出今日所用且極其高效的光纖通訊系統。

隨著採用砷化鎵和氮化鎵的可見光 LED 技術的進步,照明產業已經生產出高效率、高亮度的 LED 產品,可用於室內外的照明、汽車照明和顯示器。除了能源效率之外,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頭燈設計窺見一斑(圖 1)。

圖 1. 高亮度 LED 在新近的汽車頭燈設計中獲得應用。

新興光子應用

光子被認為是 3D 感測、自動駕駛車輛和光連接等新興科技的重要推手。正如電子一直是設計機器「大腦」的支柱一樣,光子將為未來的機器賦予「視覺」能力。雷射將是這些光子的來源。

3D 感測

隨著智慧手機越來越多用於運算,手機上保留了個人資訊也日益增多,這需要嚴格的安全設定,而不僅僅只侷限於指紋識別和 2D 虹膜掃描的身份驗證。繼 Apple 在 2017 年 iPhone X 行動設備中引入人臉識別功能後,垂直共振腔面射型雷射 (VCSEL) 近年來在消費市場上引起了相當大的關注。VCSEL 將數以萬計的雷射光束照射在使用者的臉上,然後收集這些雷射光束,產生面部的 3D 深度圖,為該使用者建立獨特的識別影像(圖 2)。

圖 2. VCSEL 是用人臉識別技術的裝置安全為基礎。

從一家具有領先地位的消費性產品製造商有項最新產品擴展了這項技術;他們採用了飛行時間雷射感測器,並利用 VCSEL 對幾公尺外的場景發出閃光,借助深度資訊建立該空間的 3D 影像。例如,現在能以虛擬形式地將一件傢俱或藝術品放置在一個空間中,以便在購買前觀看其擺設效果。為了眼睛的安全,如今技術在波長範圍限制之下仍然會受到限制,但我們可以預期未來會發展到更長的波長,並適用於更多的元件裝置,包括智慧型手機。

光連接

傳統資料中心消耗了當今世界 2% 以上的電力,而全球資料流量預計每四年會呈翻倍上升。未來,使用電子封包交換機在機架之間進行資料傳輸將無法同時滿足頻寬和能源效率的要求。隨著資料中心業務模式轉向雲端運算,在未來幾年將處理更大量的資料處理和傳輸(圖 3)。

圖 3. 雲端運算將使資料中心能耗的挑戰更加劇烈。

目前正在開發採用矽光子和磷化銦光子積體電路 (PIC) 的光連接技術,以應對資料中心面臨的這些挑戰。100GbE 的收發器模組已經進入市場,並在穩步推向 400GbE 和更高的水準。與一般的電子相比,矽光子能夠實現更快、更遠距離的資料傳輸,同時還可以利用半導體雷射以及大量矽製造的效率。

雷射雷達

汽車產業除了電動化之外,下一個大型轉變就是自動駕駛。今日的 Level 3 自動駕駛功能需要高度精密的照明、偵測、感知和決策系統等無縫協作(圖 4)。雷射雷達的高解析度、3D 成像能力和超過 200 公尺的可偵測範圍,與採用雷達或攝影機的解決方案形成鮮明區別,已被廣泛認可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。

雷射雷達有 905nm 和 1550nm 兩種頻率選擇,其 中 905nm 是首選,因為有完善的雷射和光偵測器生態系統。不過,由於 1550nm 的範圍更廣,而且眼睛的安全極限是 905nm 的 40 倍,因此業界正在積極研究。目前評估中的波束控制技術包括機械旋轉、MEMS 和光學相控陣列。然而機械旋轉呈現出顯著可靠性的問題,但是以 MEMS 為主的光束轉向技術近來成為多款汽車中 Level 3 先進駕駛輔助系 統 (ADAS) 選項的特色;但這項技術在範圍和視野上有所限制。波束控制所用的固態光學相控陣列處於早期開發階段,但 其性能、成本和外形尺寸都相當有前景,未來有望在自動駕駛之外作更多應用。為了滿足雷射雷達系統在成本和性能上的要求,需要在大批量製造中運用異質整合或共同封裝雷射、偵測器和波束控制晶片。如今,以 MEMS 為主的雷射雷達技術顯示很有希望能滿足這些工業的要求。

MicroLED

除了在電視、智慧型手機和智慧型手錶等現有設備中實現更高的解析度外,microLED 技術還可能用於打造令人興奮的新產品,如圖 5 所示的擴增實境 / 虛擬實境 (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。這裡所說的挑戰是實現RGB microLED 裸片所需的量子效率,將 microLED 具有成本效益地巨量轉移到背板上,以及測試每個單獨的 microLED。創新的元件設計、外延生長優化、基板工程、裸片轉印方法和新的背板架構正在研究和開發中,以使microLED 技術可與目前現有的液晶顯示器 (LCD) 及有機發光二極體 (OLED) 技術相競爭。

圖 5. AR/VR 應用是受益於 MicroLED 技術的消費產品之一。

元件技術

實現這些新興光子應用的關鍵元件技術是以砷化鎵和磷化銦為主的雷射、矽和砷化鎵銦(InGaAs) 光偵測器、MEMS 元件、氮化鎵和砷化鎵 LED、矽和氮化矽 (SiN) 波導以及光學調製器。對於 3D 感測應用,砷化鎵雷射元件正 從 100mm 的基材轉向 150mm 的基材。高亮度應用所使用的砷化鎵和氮化鎵 LED 分別以 150mm 砷化鎵和藍寶石這兩種基材為主來生產。不過,在某些應用中,microLED 的應用現正驅使以矽基材為主對 RGB LED 的需求。磷化銦雷射二極體是以 75mm 和 100mm 磷化銦基材為主來生產。化合物半導體元件通常在批量反應器中進行加工,但製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製程控制上。這相應地推動了過渡到單晶圓加工設備。

目前,用於波束控制技術的 MEMS 元 件 依 賴 於 200mm 矽 MEMS 生產線。矽光子技術主要在 200mm 絕緣體上矽 (SOI) 平臺上運行,並不斷推向轉換到 300mm 晶圓,以解決 200mm 光刻和刻蝕等設備的技術限制。具有高電光係數的薄膜技術一直在研究之中,以擴大光連接的速度和頻寬波封包。

上述光子應用預計在未來 5-10 年內會達到極為大幅的增長。3D 感測、雷射雷達、光連接和 AR/VR 顯示,這四大關鍵應用的市場規模預計將以 31% 的複合年增長率,從 2020 年的 80 億美元增長到 2025 年的 233 億美元(圖 6)。 3D 感測技術正在尋求新的應用,而雷射雷達和 AR/VR 顯示器還處於早期發展階段,預計將以遠高得多的複合年增長率增長。在達到光子學應用的增長,就需要解決元件技術在性能,製造和系統整合方面的挑戰。如今,各種力量正在推動對新製程設備的需求,這些設備不僅要能解決元件性能上的難題,還能實現卓越的製程控制,提高整體製造良率。

圖 6.新興的光子應用將達到極大幅的成長。(資料來源:Yole Développement 報告)

Shiva Rai 是應用材料公司光子和射頻應用戰略行銷經理。若要瞭解更多資訊,請聯絡: shiva_rai@amat.com

Shiva Rai,應用材料公司光子和射頻應用戰略行銷經理