原創：《半導體芯科技》雜志 10/11月刊

作者：Dongjae Shin, Kyoungho Ha, Hyuck Choo，三星先進技術研究所

現代電子學和光子學大約始于二十世紀中葉，分別是晶體管和激光器的發明。由于互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術的不斷發展，使晶體管發生了革命性的變化，幾十年來，微電子學一直是創造當今通信和計算系統以及無數其他創新的基礎之一[1]。

另一方面，光子學的發展速度相對較慢，而且與微電子學相比，它仍然局限于多樣化但相對較小的利基領域。硅光子學（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：硅光子學是否能縮小這兩種技術之間的差距？能否通過將CMOS的生產力嫁接到光子學上來實現光子器件的商品化？[2]

隨著CMOS行業對SiP給予更多的技術關注，重要的是找到能夠彌補技術之間差距的“殺手級應用”，以使之成為有利可圖的商業機會，因為假如沒有盈利潛力，任何技術都不會得到快速發展。本文介紹了三星先進技術研究所（SAIT）在支持專為光探測和測距（LiDAR）傳感器設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品開發歷史是有幫助的。SiP最具代表性的任務之一是解決DRAM-CPU互連瓶頸問題，這個問題是經典馮·諾依曼計算架構眾所周知的致命弱點。2010年前后，三星積極地進行了嘗試。考慮到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之間實現光子互聯的可行性[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和光子學在技術成熟度上的巨大差異，并沒有促成后續的全面發展。從該經驗中得到的教訓之一是，將新興的PIC技術直接應用于已經成熟了很久的傳統應用是非常困難的。因此，三星認為PIC技術在許多情況下最適合新興應用。

△圖1：(a)嵌入在65nm DRAM中的PIC。(b)LiDAR的估測產量－成本曲線。(c)通用平臺的熱力學優勢。

在考慮的眾多新興應用中，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銷量。由于LiDAR在自動駕駛汽車、機器人和智能設備等各種應用領域的需求量很高（或者將會很高），因此它很可能會達到證明實施CMOS大規模生產具有合理性的高產量。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的生產工藝中獲得“產量增高-成本下降”的良性循環一直是LiDAR發展的一個迫切目標。第三個原因是LiDAR與三星的PIC平臺有著良好的匹配。雖然硅光子行業的大多數廠商一直在基于各種專用襯底（如SOI）的平臺上開發PIC，但是，三星已經在基于一種通用襯底的平臺上開發了面向傳統應用的PIC，如圖1(c)所示[5]。由于硅的導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領域，各種技術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，特別是低端應用。關于LiDAR架構的大致共識是，最有可能勝出的是固態解決方案，而不是帶有活動部件的機械系統。在競爭中擁有優勢的是不同技術的“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FOV的每個方向上采用順序照明。通過利用現有的CMOS生態系統，閃光方案已經在短距離應用中實現了商業化，而掃描方案則已在長距離無線電探測和測距（RADAR）應用中得到了長期的證明。

△圖2：LiDAR(a)和雷達(b)的技術狀況。

測距可能需要使用各種不同的方法，比如：飛行時間（TOF）方案發射短光脈沖，而頻率調制連續波（FMCW）方案則發射頻率調制光。考慮到雷達從TOF演進到了FMCW，我們認為LiDAR很有可能發生類似的技術演進。

在波長方面，有兼容硅的~900nm波段和基于III/V族化合物半導體的1.3～1.5μm波段。從現有工業生態系統的角度來看，~900nm波段是有利的，但是，從人眼安全和抗環境光噪聲的角度來看，則1.3～1.5μm波段具備優勢。SAIT一直在采用掃描方案和1.3μm波段，更注重長距離應用；它正準備從TOF向FMCW演進。

正如在許多光子學應用中受到推崇的那樣，為了最大限度地實現“產量增高-成本下降”的良性循環，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發射器（Tx）的光子器件首先被集成到單顆芯片內，而接收器（Rx）光子器件則在消除了架構上的不確定性后被集成。LiDAR Tx是一種光學相控陣（OPA），相當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，如可調諧激光二極管（TLD）、半導體光放大器（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平面結構。(c)SOA垂直結構。(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族化合物半導體材料鍵合及III-V族化合物半導體工藝。這種硅基III-V族化合物半導體材料異質集成對低成本制造是有利的，因為它簡化了后續的封裝。這項工作所使用的III-V族化合物半導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，以減低片內損耗和熱效應[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架構問題有關的延遲，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族化合物半導體工藝挑戰性較高的PoC2起，由于器件良率較低，因此制備的是具有32個天線的OPA。最佳的天線數量是作為性能-成本權衡折衷的一部分來確定的，預計會根據各種應用所要求的探測距離而變化。

△圖4：LiDAR器件集成的進展。

圖5總結了專為實現最佳LiDAR性能而設計的各種技術組合的成功。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，因此實現了每秒20幀的視頻記錄，并且通過數字信號處理（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的光學和熱學性能改進，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聯的，因此對FOV的改進應該伴隨著探測距離的改善。盡管TOF方法對于短距離應用很可能是足夠的，但是，在長距離應用中的效用則可能需要使用FMCW方法。因此，業界普遍認為：相對復雜的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。

為了預測LiDAR的未來技術演進，有必要研究相關的先前技術，比如那些對雷達和電信應用的發展至關重要的技術。雷達的用途幾乎與LiDAR相同，并經歷了100多年的技術發展。電信也使用了LiDAR常見的光學器件和模塊技術，演進歷史已超過50年。

圖6簡要總結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，已經發展到運用FMCW方案。FMCW雷達在20世紀70年代影響了電信技術的發展；當時人們對類似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和眾所周知的光纖放大器的出現，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。從本世紀第一個十年開始，當需要更多的性能改進時，電信/數據通信應用重新審視了一種相干方案，該方案現在與強度方案共存。這一演進歷史的一個重要含義是，放大器技術對這些器件的發展方向和導致市場引入的開發時間安排產生了重大的影響，這種情況很可能會在LiDAR技術的演進中再度出現。也就是說，TOF－FMCW過渡的時間選擇可以根據本文所述的基于SOA的分布式光放大技術的成功程度來確定。人們關注的焦點是這種技術的不確定性在未來的幾年里將對LiDAR技術的商業化產生怎樣的影響。

審核編輯 黃昊宇