前段时间Intel发布了其多波长激光器阵列的最新进展，其他几个大的代工厂都已经相继在硅光领域布局，包括台积电、GlobalFoundries、ST等。而作为全球前二的晶圆代工厂，三星似乎一直在硅光领域投入不多，并没有太多的曝光度。刚好小豆芽看到一篇行业新闻https://picmagazine.net/article/115025/Samsung_progresses_in_developing_PICs_for_LiDAR，介绍了三星在硅光LiDAR方向的努力。
其实三星早在2010年就已经在布局硅光技术，并在传统的CMOS平台上开发其硅光工艺平台，不同于现在主流的基于SOI(silicon on insulator)硅光工艺，三星采用了体硅(bulk-Si)晶圆，以65nm的DRAM工艺为基础，其典型的工艺流程如下图所示，
（图片来自文献1）
由于体块硅晶圆没有SiO2的BOX层，首先在硅衬底上刻蚀出1um厚，6um宽的trench结构，并填充SiO2, 作为BOX层。接着通过LPCVD的方式沉积一层255nm厚的非晶硅a-Si，接着通过固相外延SPE(solid phase epitaxy)的方式，将非晶硅转换为单晶硅，从而降低波导的损耗。后续的工艺流程与传统硅光工艺类似，对薄硅层进行刻蚀，形成波导，接着进行掺杂形成相关的PN结结构。为了解决硅光芯片光源的问题，三星也开发了III/V异质集成相关的工艺，如上图中的7-8所示。
SPE的示意图如下图所示，通过退火的方式，使得硅原子重新排列，形成单晶硅。
(图片来自文献2)
在III/V on bulk-Si的工艺平台上，大部分硅光器件的性能都接近传统工艺的硅光器件，如下图所示。其中激光器的wall-plug效率为8%左右，边摸抑制比为45dB, 直调速率可以达到25Gbps。硅波导的传输损耗略高，条形波导的传输损耗为5dB/cm, 脊形波导的传输损耗为2dB/cm, 这主要与单晶硅的质量有关。
（图片来自文献2）
相较于传统的SOI硅光工艺，体硅硅光工艺在热扩散方面存在优势，传统SOI中的Box层会阻碍热量向衬底扩散，而bulk-Si平台中，Box层只存在于较小的区域，热量可以借助两侧的硅向衬底进一步扩散，如下图所示，在相同的工作条形下，两种工艺平台下III/V有源区的温度分别为59度和28度。基于较高的热扩散效率，bulk-Si平台可以支持大功率的激光器工作。
（图片来自文献2）
三星在文中也提到，目前III/V bonding的良率比较低，对工艺非常敏感，有待后续进一步的工艺优化。比较有意思的是，似乎三星有意回归传统的SOI工艺方案，主要原因是SPE方法形成的硅波导表面粗糙度影响III-V bonding的良率。
三星最初是想通过硅光技术，实现DRAM芯片的optical-IO, 解决DRAM的容量与带宽问题。他们在该方向上做了一些尝试，演示了一些小型的光互联系统。CPU的电信号(write)通过硅光芯片转换为光信号，传输到DRAM芯片处的光学Rx, 进而转换为可被DRAM接收的电信号。DRAM处的信号也可以通过类似的方式传递到CPU处(read)。
（图片来自文献1）
由于该技术并不是特别成熟，封装难度高，三星并没有进一步在该方向上投入力量。而是总结经验教训，开发出异质集成的III/V激光器，并将焦点瞄准到LiDAR赛道。三星的考量主要由以下几点，
1）LiDAR芯片的需求量比较大，包括自动驾驶、传感等方向。采用硅光技术的LiDAR芯片可大大降低成本。
2）III/V on bulk-Si技术的热扩散性能优良，可支持大功率的片上激光器
三星相继演示了一些基于硅光技术的OPA系统，典型的结构如下图所示。采用可调谐的片上激光器，并分成32路，每一路都有一个phase shifter进行相位调制，每一路也各有一个SOA用于信号的放大。光束的水平方向扫描通过OPA实现，竖直方向的扫描通过改变波长来实现。
（图片来自https://picmagazine.net/article/115025/Samsung_progresses_in_developing_PICs_for_LiDAR）
三星的LiDAR技术主要进展如下表所示，
（图片来自https://picmagazine.net/article/115025/Samsung_progresses_in_developing_PICs_for_LiDAR）
以上是对三星硅光技术的简单总结，三星从传统的bulk-Si出发，自练神功，开发了一整套包括片上激光器在内的III/V on bulk-Si的硅光工艺平台，器件的性能接近SOI平台的光器件性能，并演示了基于该工艺的LiDAR系统。但是该平台中的III/V bonding的良率较低，三星正在考虑开发III/V on SOI工艺，回归主流的工艺方案。三星在文章中提到了不少自己的经验教训，并解释了为何放弃DRAM的optical IO方案，而选择LiDAR这一方向，值得大家仔细阅读下。
参考文献：
- D. Shin, et.al., "III/V-on-bulk-Si technology for commercially viable photonics-integrated VLSI", in Proc. IEEE Symp. VLSI Technol., 2020, pp. 1–2.
- D. Shin, et.al, "Bulk-Si Platform: Born for DRAM, Upgraded With On-Chip Lasers, and Transplanted to LiDAR", Journal of Lightwave Technology 40,3137(2022)
