原創(chuàng)：《半導(dǎo)體芯科技》雜志 10/11月刊

作者：Dongjae Shin, Kyoungho Ha, Hyuck Choo，三星先進(jìn)技術(shù)研究所

現(xiàn)代電子學(xué)和光子學(xué)大約始于二十世紀(jì)中葉，分別是晶體管和激光器的發(fā)明。由于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)的不斷發(fā)展，使晶體管發(fā)生了革命性的變化，幾十年來(lái)，微電子學(xué)一直是創(chuàng)造當(dāng)今通信和計(jì)算系統(tǒng)以及無(wú)數(shù)其他創(chuàng)新的基礎(chǔ)之一[1]。

另一方面，光子學(xué)的發(fā)展速度相對(duì)較慢，而且與微電子學(xué)相比，它仍然局限于多樣化但相對(duì)較小的利基領(lǐng)域。硅光子學(xué)（SiP）就是在這種情況下誕生的。人們對(duì)于以下兩點(diǎn)的興趣不斷升高，即：硅光子學(xué)是否能縮小這兩種技術(shù)之間的差距？能否通過(guò)將CMOS的生產(chǎn)力嫁接到光子學(xué)上來(lái)實(shí)現(xiàn)光子器件的商品化？[2]

隨著CMOS行業(yè)對(duì)SiP給予更多的技術(shù)關(guān)注，重要的是找到能夠彌補(bǔ)技術(shù)之間差距的“殺手級(jí)應(yīng)用”，以使之成為有利可圖的商業(yè)機(jī)會(huì)，因?yàn)榧偃鐩](méi)有盈利潛力，任何技術(shù)都不會(huì)得到快速發(fā)展。本文介紹了三星先進(jìn)技術(shù)研究所（SAIT）在支持專為光探測(cè)和測(cè)距（LiDAR）傳感器設(shè)計(jì)的光子集成電路方面的近期研究。

為了解釋為什么LiDAR是眾多應(yīng)用中光子集成的最佳成長(zhǎng)機(jī)會(huì)之一，大致了解一下三星的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)歷史是有幫助的。SiP最具代表性的任務(wù)之一是解決DRAM-CPU互連瓶頸問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題是經(jīng)典馮·諾依曼計(jì)算架構(gòu)眾所周知的致命弱點(diǎn)。2010年前后，三星積極地進(jìn)行了嘗試。考慮到DRAM的成本限制，通過(guò)將PIC直接集成到DRAM芯片中（如圖1(a)所示）的做法，證明了在DRAM和CPU之間實(shí)現(xiàn)光子互聯(lián)的可行性[3][4]。盡管取得了如此重大的成就，但是，這些嘗試也揭示了CMOS和光子學(xué)在技術(shù)成熟度上的巨大差異，并沒(méi)有促成后續(xù)的全面發(fā)展。從該經(jīng)驗(yàn)中得到的教訓(xùn)之一是，將新興的PIC技術(shù)直接應(yīng)用于已經(jīng)成熟了很久的傳統(tǒng)應(yīng)用是非常困難的。因此，三星認(rèn)為PIC技術(shù)在許多情況下最適合新興應(yīng)用。

△圖1：(a)嵌入在65nm DRAM中的PIC。(b)LiDAR的估測(cè)產(chǎn)量－成本曲線。(c)通用平臺(tái)的熱力學(xué)優(yōu)勢(shì)。

在考慮的眾多新興應(yīng)用中，LiDAR被選中主要有三個(gè)原因。第一個(gè)原因是它可能有很高的產(chǎn)銷量。由于LiDAR在自動(dòng)駕駛汽車、機(jī)器人和智能設(shè)備等各種應(yīng)用領(lǐng)域的需求量很高（或者將會(huì)很高），因此它很可能會(huì)達(dá)到證明實(shí)施CMOS大規(guī)模生產(chǎn)具有合理性的高產(chǎn)量。第二個(gè)原因是，從以摩爾定律為特征的CMOS演進(jìn)的角度來(lái)看，它的時(shí)機(jī)很好，而且它正朝著體積更小、速度更快、功耗更少、制備成本更低的器件不斷邁進(jìn)。LiDAR的廣泛部署由于其成本居高而被推遲，因此，如圖1(b)所示，從類似CMOS的生產(chǎn)工藝中獲得“產(chǎn)量增高-成本下降”的良性循環(huán)一直是LiDAR發(fā)展的一個(gè)迫切目標(biāo)。第三個(gè)原因是LiDAR與三星的PIC平臺(tái)有著良好的匹配。雖然硅光子行業(yè)的大多數(shù)廠商一直在基于各種專用襯底（如SOI）的平臺(tái)上開(kāi)發(fā)PIC，但是，三星已經(jīng)在基于一種通用襯底的平臺(tái)上開(kāi)發(fā)了面向傳統(tǒng)應(yīng)用的PIC，如圖1(c)所示[5]。由于硅的導(dǎo)熱性比氧化物高了大約100倍，因此三星的平臺(tái)可以提供更好的散熱效能，從而使其非常適合LiDAR應(yīng)用所需的熱敏激光器或放大器陣列。不過(guò)，該通用平臺(tái)暫時(shí)被擱置了，而專用平臺(tái)則用于研究目的。

在LiDAR領(lǐng)域，各種技術(shù)方案在性能和成本方面展開(kāi)了競(jìng)爭(zhēng)，而市場(chǎng)贏家目前仍不確定，特別是低端應(yīng)用。關(guān)于LiDAR架構(gòu)的大致共識(shí)是，最有可能勝出的是固態(tài)解決方案，而不是帶有活動(dòng)部件的機(jī)械系統(tǒng)。在競(jìng)爭(zhēng)中擁有優(yōu)勢(shì)的是不同技術(shù)的“整合”，而非“拼接”；不同角度的比較性探討正在積極地進(jìn)行之中。

通往優(yōu)化LiDAR解決方案的道路通?？紤]三個(gè)最重要的視點(diǎn)：平面（XY）照明，軸向（Z）測(cè)距，以及波長(zhǎng)，如圖2所示。照明通常采用閃光方案（flash scheme），同時(shí)對(duì)整個(gè)視場(chǎng)（FOV）進(jìn)行照明，而掃描方案則在包含F(xiàn)OV的每個(gè)方向上采用順序照明。通過(guò)利用現(xiàn)有的CMOS生態(tài)系統(tǒng)，閃光方案已經(jīng)在短距離應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，而掃描方案則已在長(zhǎng)距離無(wú)線電探測(cè)和測(cè)距（RADAR）應(yīng)用中得到了長(zhǎng)期的證明。

△圖2：LiDAR(a)和雷達(dá)(b)的技術(shù)狀況。

測(cè)距可能需要使用各種不同的方法，比如：飛行時(shí)間（TOF）方案發(fā)射短光脈沖，而頻率調(diào)制連續(xù)波（FMCW）方案則發(fā)射頻率調(diào)制光?？紤]到雷達(dá)從TOF演進(jìn)到了FMCW，我們認(rèn)為L(zhǎng)iDAR很有可能發(fā)生類似的技術(shù)演進(jìn)。

在波長(zhǎng)方面，有兼容硅的~900nm波段和基于III/V族化合物半導(dǎo)體的1.3～1.5μm波段。從現(xiàn)有工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的角度來(lái)看，~900nm波段是有利的，但是，從人眼安全和抗環(huán)境光噪聲的角度來(lái)看，則1.3～1.5μm波段具備優(yōu)勢(shì)。SAIT一直在采用掃描方案和1.3μm波段，更注重長(zhǎng)距離應(yīng)用；它正準(zhǔn)備從TOF向FMCW演進(jìn)。

正如在許多光子學(xué)應(yīng)用中受到推崇的那樣，為了最大限度地實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)量增高-成本下降”的良性循環(huán)，有必要將所有的光子器件集成在單顆芯片上。到目前為止，用于LiDAR發(fā)射器（Tx）的光子器件首先被集成到單顆芯片內(nèi)，而接收器（Rx）光子器件則在消除了架構(gòu)上的不確定性后被集成。LiDAR Tx是一種光學(xué)相控陣（OPA），相當(dāng)于用于雷達(dá)的射頻相控天線陣列的光子版本。圖3從概念上說(shuō)明了OPA芯片和主要的光子器件，如可調(diào)諧激光二極管（TLD）、半導(dǎo)體光放大器（SOA）、移相器（PS）和天線陣列。OPA通過(guò)總共36個(gè)SOA放大TLD的32路分離輸出，并利用32個(gè)移相器控制相位，從而減小了來(lái)自天線陣列的光束的擴(kuò)散角。接著，用移相器在水平方向上掃描光束，而用TLD在垂直方向上掃描光束，如圖3(d)和圖3(e)所示。TLD通過(guò)圖3(b)所示的兩個(gè)環(huán)形諧振器中的加熱器來(lái)控制激射波長(zhǎng)。

△圖3：(a)集成了TLD、SOA、PS和天線陣列的LiDAR芯片。(b)TLD平面結(jié)構(gòu)。(c)SOA垂直結(jié)構(gòu)。(d)在較低的仰角上用短波長(zhǎng)進(jìn)行水平光束掃描。(e)在較高的仰角上用長(zhǎng)波長(zhǎng)進(jìn)行水平光束掃描。

在制備OPA時(shí)，采用的制程依次為硅工藝、硅基III-V族化合物半導(dǎo)體材料鍵合及III-V族化合物半導(dǎo)體工藝。這種硅基III-V族化合物半導(dǎo)體材料異質(zhì)集成對(duì)低成本制造是有利的，因?yàn)樗?jiǎn)化了后續(xù)的封裝。這項(xiàng)工作所使用的III-V族化合物半導(dǎo)體材料是由周期表中III族和V族的四種元素（如鋁、鎵、銦和砷）組合而成（生長(zhǎng)在InP襯底上）。

在邁向單芯片集成的過(guò)程中，迄今為止器件集成所取得的進(jìn)展匯總于圖4。從只集成了移相器和天線陣列（運(yùn)用純硅工藝）的PoC1，到又集成了SOA的PoC2，再到進(jìn)一步集成了TLD的PoC3和PoC4組。這些PoC是通過(guò)硅基III-V族化合物半導(dǎo)體工藝制備的[6][7]。從PoC3到PoC4，電路的布局得到了改進(jìn)，以減低片內(nèi)損耗和熱效應(yīng)[8][9]。具集成型光電二極管（PD）的PoC5也在考慮之中，但由于存在與一些LiDAR架構(gòu)問(wèn)題有關(guān)的延遲，其集成化“仍在途中”。在PoC1中，使用相對(duì)簡(jiǎn)單的純硅工藝，制備了具有128個(gè)天線的OPA，而從硅基III-V族化合物半導(dǎo)體工藝挑戰(zhàn)性較高的PoC2起，由于器件良率較低，因此制備的是具有32個(gè)天線的OPA。最佳的天線數(shù)量是作為性能-成本權(quán)衡折衷的一部分來(lái)確定的，預(yù)計(jì)會(huì)根據(jù)各種應(yīng)用所要求的探測(cè)距離而變化。

△圖4：LiDAR器件集成的進(jìn)展。

圖5總結(jié)了專為實(shí)現(xiàn)最佳LiDAR性能而設(shè)計(jì)的各種技術(shù)組合的成功。雖然PoC1組具有128個(gè)天線，分辨率還不錯(cuò)，但是由于OPA輸出功率低和外部TLD速度慢，因此幀速率非常慢是不可避免的。在PoC2測(cè)試中，由于OPA的輸出功率通過(guò)SOA的集成得到了改善，每秒2幀的視頻記錄成為可能，不過(guò)由于天線數(shù)量的減少，分辨率有所降低。在PoC3測(cè)試中，由于額外集成了TLD，因此實(shí)現(xiàn)了每秒20幀的視頻記錄，并且通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理（DSP）和圖像信號(hào)處理（ISP），使分辨率也得到了提高。在PoC4測(cè)試中，通過(guò)OPA的光學(xué)和熱學(xué)性能改進(jìn)，增加了輸出功率，因而改善了探測(cè)范圍和FOV。目前正在努力優(yōu)化性能，以達(dá)到市場(chǎng)所要求的性能水平。特別地，如圖5所示，改善FOV是最緊迫的問(wèn)題。

△圖5：LiDAR性能的進(jìn)步。

由于FOV和探測(cè)距離是相互關(guān)聯(lián)的，因此對(duì)FOV的改進(jìn)應(yīng)該伴隨著探測(cè)距離的改善。盡管TOF方法對(duì)于短距離應(yīng)用很可能是足夠的，但是，在長(zhǎng)距離應(yīng)用中的效用則可能需要使用FMCW方法。因此，業(yè)界普遍認(rèn)為：相對(duì)復(fù)雜的FMCW的成本較低，而相對(duì)簡(jiǎn)單的TOF的性能較高，這些對(duì)于LiDAR市場(chǎng)的初始分割將會(huì)是很重要的。

為了預(yù)測(cè)LiDAR的未來(lái)技術(shù)演進(jìn)，有必要研究相關(guān)的先前技術(shù)，比如那些對(duì)雷達(dá)和電信應(yīng)用的發(fā)展至關(guān)重要的技術(shù)。雷達(dá)的用途幾乎與LiDAR相同，并經(jīng)歷了100多年的技術(shù)發(fā)展。電信也使用了LiDAR常見(jiàn)的光學(xué)器件和模塊技術(shù)，演進(jìn)歷史已超過(guò)50年。

圖6簡(jiǎn)要總結(jié)了雷達(dá)和電信的主要演進(jìn)路徑。雷達(dá)在20世紀(jì)初開(kāi)始使用TOF方法，由于高功率RF放大器的挑戰(zhàn)，已經(jīng)發(fā)展到運(yùn)用FMCW方案。FMCW雷達(dá)在20世紀(jì)70年代影響了電信技術(shù)的發(fā)展；當(dāng)時(shí)人們對(duì)類似FMCW的相干方案有著很高的興趣。

△圖6：從雷達(dá)和電信的演進(jìn)中獲得的啟示。

然而，由于基于光電的系統(tǒng)和眾所周知的光纖放大器的出現(xiàn)，自20世紀(jì)90年代以來(lái)，電信市場(chǎng)一直被類似于TOF的強(qiáng)度方案（intensity schemes）所主導(dǎo)。從本世紀(jì)第一個(gè)十年開(kāi)始，當(dāng)需要更多的性能改進(jìn)時(shí)，電信/數(shù)據(jù)通信應(yīng)用重新審視了一種相干方案，該方案現(xiàn)在與強(qiáng)度方案共存。這一演進(jìn)歷史的一個(gè)重要含義是，放大器技術(shù)對(duì)這些器件的發(fā)展方向和導(dǎo)致市場(chǎng)引入的開(kāi)發(fā)時(shí)間安排產(chǎn)生了重大的影響，這種情況很可能會(huì)在LiDAR技術(shù)的演進(jìn)中再度出現(xiàn)。也就是說(shuō)，TOF－FMCW過(guò)渡的時(shí)間選擇可以根據(jù)本文所述的基于SOA的分布式光放大技術(shù)的成功程度來(lái)確定。人們關(guān)注的焦點(diǎn)是這種技術(shù)的不確定性在未來(lái)的幾年里將對(duì)LiDAR技術(shù)的商業(yè)化產(chǎn)生怎樣的影響。

審核編輯 黃昊宇