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)大約始于二十世紀中葉，分別是晶體管和激光器的發(fā)明。由于互補金屬氧化物半導(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，微電子學(xué)一直是創(chuàng)造當(dāng)今通信和計算系統(tǒng)以及無數(shù)其他創(chuàng)新的基礎(chǔ)之一[1]。

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

隨著CMOS行業(yè)對SiP給予更多的技術(shù)關(guān)注，重要的是找到能夠彌補技術(shù)之間差距的“殺手級應(yīng)用”，以使之成為有利可圖的商業(yè)機會，因為假如沒有盈利潛力，任何技術(shù)都不會得到快速發(fā)展。本文介紹了三星先進技術(shù)研究所（SAIT）在支持專為光探測和測距（LiDAR）傳感器設(shè)計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機會之一，大致了解一下三星的產(chǎn)品開發(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互連瓶頸問題，這個問題是經(jīng)典馮·諾依曼計算架構(gòu)眾所周知的致命弱點。2010年前后，三星積極地進行了嘗試?？紤]到DRAM的成本限制，通過將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，并沒有促成后續(xù)的全面發(fā)展。從該經(jīng)驗中得到的教訓(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的估測產(chǎn)量－成本曲線。(c)通用平臺的熱力學(xué)優(yōu)勢。

在考慮的眾多新興應(yīng)用中，LiDAR被選中主要有三個原因。第一個原因是它可能有很高的產(chǎn)銷量。由于LiDAR在自動駕駛汽車、機器人和智能設(shè)備等各種應(yīng)用領(lǐng)域的需求量很高（或者將會很高），因此它很可能會達到證明實施CMOS大規(guī)模生產(chǎn)具有合理性的高產(chǎn)量。第二個原因是，從以摩爾定律為特征的CMOS演進的角度來看，它的時機很好，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。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)展的一個迫切目標。第三個原因是LiDAR與三星的PIC平臺有著良好的匹配。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）的平臺上開發(fā)PIC，但是，三星已經(jīng)在基于一種通用襯底的平臺上開發(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，該通用平臺暫時被擱置了，而專用平臺則用于研究目的。

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

通往優(yōu)化LiDAR解決方案的道路通常考慮三個最重要的視點：平面（XY）照明，軸向（Z）測距，以及波長，如圖2所示。照明通常采用閃光方案（flash scheme），同時對整個視場（FOV）進行照明，而掃描方案則在包含F(xiàn)OV的每個方向上采用順序照明。通過利用現(xiàn)有的CMOS生態(tài)系統(tǒng)，閃光方案已經(jīng)在短距離應(yīng)用中實現(xiàn)了商業(yè)化，而掃描方案則已在長距離無線電探測和測距（RADAR）應(yīng)用中得到了長期的證明。

△圖2：LiDAR(a)和雷達(b)的技術(shù)狀況。

測距可能需要使用各種不同的方法，比如：飛行時間（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。考慮到雷達從TOF演進到了FMCW，我們認為LiDAR很有可能發(fā)生類似的技術(shù)演進。

在波長方面，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)境光噪聲的角度來看，則1.3～1.5μm波段具備優(yōu)勢。SAIT一直在采用掃描方案和1.3μm波段，更注重長距離應(yīng)用；它正準備從TOF向FMCW演進。

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)于用于雷達的射頻相控天線陣列的光子版本。圖3從概念上說明了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通過總共36個SOA放大TLD的32路分離輸出，并利用32個移相器控制相位，從而減小了來自天線陣列的光束的擴散角。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通過圖3(b)所示的兩個環(huán)形諧振器中的加熱器來控制激射波長。

△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進行水平光束掃描。(e)在較高的仰角上用長波長進行水平光束掃描。

在制備OPA時，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)集成對低成本制造是有利的，因為它簡化了后續(xù)的封裝。這項工作所使用的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（生長在InP襯底上）。

在邁向單芯片集成的過程中，迄今為止器件集成所取得的進展匯總于圖4。從只集成了移相器和天線陣列（運用純硅工藝）的PoC1，到又集成了SOA的PoC2，再到進一步集成了TLD的PoC3和PoC4組。這些PoC是通過硅基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，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)問題有關(guān)的延遲，其集成化“仍在途中”。在PoC1中，使用相對簡單的純硅工藝，制備了具有128個天線的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)衡折衷的一部分來確定的，預(yù)計會根據(jù)各種應(yīng)用所要求的探測距離而變化。

△圖4：LiDAR器件集成的進展。

圖5總結(jié)了專為實現(xiàn)最佳LiDAR性能而設(shè)計的各種技術(shù)組合的成功。雖然PoC1組具有128個天線，分辨率還不錯，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測試中，由于OPA的輸出功率通過SOA的集成得到了改善，每秒2幀的視頻記錄成為可能，不過由于天線數(shù)量的減少，分辨率有所降低。在PoC3測試中，由于額外集成了TLD，因此實現(xiàn)了每秒20幀的視頻記錄，并且通過數(shù)字信號處理（DSP）和圖像信號處理（ISP），使分辨率也得到了提高。在PoC4測試中，通過OPA的光學(xué)和熱學(xué)性能改進，增加了輸出功率，因而改善了探測范圍和FOV。目前正在努力優(yōu)化性能，以達到市場所要求的性能水平。特別地，如圖5所示，改善FOV是最緊迫的問題。

△圖5：LiDAR性能的進步。

由于FOV和探測距離是相互關(guān)聯(lián)的，因此對FOV的改進應(yīng)該伴隨著探測距離的改善。盡管TOF方法對于短距離應(yīng)用很可能是足夠的，但是，在長距離應(yīng)用中的效用則可能需要使用FMCW方法。因此，業(yè)界普遍認為：相對復(fù)雜的FMCW的成本較低，而相對簡單的TOF的性能較高，這些對于LiDAR市場的初始分割將會是很重要的。

為了預(yù)測LiDAR的未來技術(shù)演進，有必要研究相關(guān)的先前技術(shù)，比如那些對雷達和電信應(yīng)用的發(fā)展至關(guān)重要的技術(shù)。雷達的用途幾乎與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常見的光學(xué)器件和模塊技術(shù)，演進歷史已超過50年。

圖6簡要總結(jié)了雷達和電信的主要演進路徑。雷達在20世紀初開始使用TOF方法，由于高功率RF放大器的挑戰(zhàn)，已經(jīng)發(fā)展到運用FMCW方案。FMCW雷達在20世紀70年代影響了電信技術(shù)的發(fā)展；當(dāng)時人們對類似FMCW的相干方案有著很高的興趣。

△圖6：從雷達和電信的演進中獲得的啟示。

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90年代以來，電信市場一直被類似于TOF的強度方案（intensity schemes）所主導(dǎo)。從本世紀第一個十年開始，當(dāng)需要更多的性能改進時，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)在與強度方案共存。這一演進歷史的一個重要含義是，放大器技術(shù)對這些器件的發(fā)展方向和導(dǎo)致市場引入的開發(fā)時間安排產(chǎn)生了重大的影響，這種情況很可能會在LiDAR技術(shù)的演進中再度出現(xiàn)。也就是說，TOF－FMCW過渡的時間選擇可以根據(jù)本文所述的基于SOA的分布式光放大技術(shù)的成功程度來確定。人們關(guān)注的焦點是這種技術(shù)的不確定性在未來的幾年里將對LiDAR技術(shù)的商業(yè)化產(chǎn)生怎樣的影響。

審核編輯 黃昊宇