フォトニックデバイス技術の新たな用途

フォトニックデバイス技術は、レーザースキャンと印刷、電気通信、工業材料処理などのアプリケーションに長い間存在してきました。 近年、発光ダイオード（LED）照明が広く使用されています。 レーザー、光検出器、microLED、フォトニック集積回路（PIC）などのフォトニックデバイスは、顔認識、3Dセンシングとレーザーイメージング、検出と測距（ライダー）など、一連の新しいテクノロジーの構成要素になっています。 今日のアプリケーション要件を満たすために、これらのテクノロジーには、革新的なデバイスアーキテクチャ、新しい材料の開発、材料のモノリシックおよび異種統合、より大きなウェーハサイズ、および単一ウェーハ処理が必要です。

前書き

シリコンは常にすべての半導体IC技術のバックボーンであり、コンピューター、インターネット、スマートフォンから現在の人工知能や5Gまでの電子技術の開発を可能にしてきました。ただし、一部のアプリケーションでは、フォトニックデバイステクノロジが技術的および環境的要件をより適切に満たすことができます。

ガリウムヒ素（GaAs）、リン化インジウム（InP）、窒化ガリウム（GaN）などの化合物半導体には、レーザーやLEDなどのフォトニックデバイス技術をサポートするための直接エネルギーバンドギャップがあります。インジウムガリウムヒ素リン（InGaAsP）材料で作られた1.3μmおよび1.5μmのシングルモードレーザーを使用して、現在使用されている非常に効率的な光ファイバー通信システムを構築できます。

ガリウムヒ素と窒化ガリウムをベースにした可視光LED技術の進歩により、照明業界は、屋内および屋外の照明、自動車の照明、ディスプレイ向けの高効率、高輝度のLED製品を製造してきました。 LEDは、エネルギー効率に加えて、最新の車のヘッドライトの設計に見られるように、照明デザイナーに大きな自由を提供します。




新たなフォトニックアプリケーション

光子は、3Dセンシング、自動運転車、光インターコネクトなどの新しいテクノロジーを実現する重要な要素と見なされています。電子が常に機械の「頭脳」の設計のバックボーンであったように、光子は将来の機械に「視覚」を与え、レーザーがこれらの光子の源になります。

3Dセンシング

スマートフォンのコンピューティングへの利用が進むにつれ、スマートフォンに保持される個人情報も増えており、指紋認識や二次元虹彩スキャンによる本人確認だけでなく、厳格なセキュリティ設定が求められています。 Appleが2017年にiPhoneXで顔認識機能を開始した後、垂直共振器面発光レーザー（VCSEL）は、近年、消費者市場で大きな注目を集めています。 VCSELは、ユーザーの顔に数万のレーザービームを照射し、これらのレーザービームを収集して、顔の3D深度マップを生成し、ユーザーに固有の認識画像を作成します。




大手消費財メーカーの最新製品は、飛行時間型レーザーセンサーを使用し、VCSELを使用して数メートル離れたシーンをフラッシュし、深度情報を使用して空間の3D画像を作成することで、このテクノロジーを拡張しています。たとえば、家具やアートワークを仮想の形で空間に配置して、購入前に効果を確認できるようになりました。目の安全のために、今日の技術は波長範囲に制限されていますが、将来的にはより長い波長に発展し、スマートフォンを含むより多くのデバイスに適用されることが期待できます。

光インターコネクト

従来のデータセンターは世界の電力の2％以上を消費しており、世界のデータトラフィックは4年ごとに2倍になると予想されています。将来的には、ラック間のデータ転送に電子パケットスイッチを使用することで、帯域幅とエネルギー消費の要件を同時に満たすことができなくなります。データセンターのビジネスモデルはクラウドコンピューティングに移行しており、今後数年間はより多くのデータ処理と送信が必要になります。





シリコンフォトニクスとリン化インジウムフォトニック集積回路（PIC）に基づく光相互接続技術は、データセンターが直面するこれらの課題に対応するために現在開発されています。 100GbEトランシーバモジュールが市場に参入し、着実に400GbE以上のレベルに押し上げています。従来の電子機器と比較して、シリコンフォトニクスは、半導体レーザーと大量のシリコン製造の効率を利用しながら、より高速で長距離のデータ伝送を実現できます。

Lidar

自動車産業の電化に加えて、次の大きなパラダイムシフトは自動運転です。今日のレベル3の自動運転では、高度な照明、検出、知覚、および意思決定システムがシームレスに連携する必要があります（図4）。高解像度、3Dイメージング機能、および200メートルを超えるLIDARの検出範囲は、レーダーやカメラに基づくソリューションとは明らかに異なり、自動運転の最適なソリューションとして広く認識されています。




Lidarには、905nmと1550nmの2つの周波数オプションがあります。それらの中で、905nmは、レーザーと光検出器の完全なエコシステムのために最初の選択肢です。しかし、1550nmの範囲が広く、目の安全限界が905nmの40倍であるため、業界は積極的に研究しています。現在評価されているビームステアリング技術には、機械的回転、MEMS、および光学フェーズドアレイが含まれます。機械的回転は信頼性の点で大きな問題があり、MEMSベースのビームステアリング技術は最近多くの車の3レベル先進運転支援システム（ADAS）のオプションとして登場しましたが、範囲と視野に制限があります。ビームステアリング用のソリッドステート光フェーズドアレイは開発の初期段階にあり、性能、コスト、サイズの面で有望であり、自動運転に加えて、より多くの方法で適用することもできます。 LIDARシステムのコストとパフォーマンスの要件を満たすには、大量生産で異種統合または共同パッケージ化されたレーザー、検出器、ビームステアリングチップを使用する必要があります。今日、MEMSベースのLIDARテクノロジーは、これらの産業要件を満たす上で有望な見通しを示しています。

MicroLED

図5に示すように、テレビ、スマートフォン、スマートウォッチなどの既存のデバイスでより高い解像度を実現することに加えて、microLEDテクノロジーを使用して拡張現実/仮想現実（AR / VR）などのエキサイティングな新製品を作成することもできます。 ）製品。これらの新しいアプリケーションでは、色変換やフィルタリングの代わりに、自発光の赤-緑-青（RGB）ディスプレイが必要です。ここでの課題は、RGB microLEDダイに必要な量子効率を達成し、microLEDをバックプレーンにコスト効率よく転送し、個々のmicroLEDをテストすることです。 microLED技術を既存の液晶ディスプレイ（LCD）および有機発光ダイオード（OLED）と互換性を持たせるために、革新的なデバイス設計、エピタキシャル成長の最適化、基板エンジニアリング、ダイ転写法、および新しいバックプレーンアーキテクチャが研究開発されています。）技術は競合しています。 。





デバイステクノロジー

これらの新しいフォトニックアプリケーションを実現するための主要なデバイス技術は、ガリウムヒ素およびインジウムリンベースのレーザー、シリコンおよびインジウムガリウムヒ素（InGaAs）光検出器、MEMSデバイス、窒化ガリウムおよびガリウムヒ素LED、シリコンおよび窒化物シリコン（SiN）導波路および光モジュレーター。 3Dセンシングアプリケーションでは、ガリウムヒ素レーザーデバイスが100mm基板から150mm基板に移行しています。高輝度用途向けのガリウム砒素および窒化ガリウムLEDは、それぞれ150mmの砒素ガリウム基板およびサファイア基板上で製造されました。ただし、一部のアプリケーションでは、microLEDのアプリケーションにより、シリコン基板上のRGBLEDの需要が高まっています。リン化インジウムレーザーダイオードは、75mmおよび100mmのリン化インジウム基板上に製造されています。化合物半導体デバイスは通常バッチ反応器で処理されますが、製造は歩留まりとウェーハ内均一性の向上とプロセス制御の強化にますます重点を置いており、それに応じて単一ウェーハ処理装置への移行が促進されます。

現在、ビームステアリング技術で使用されるMEMSデバイスは、200mmシリコンMEMS生産ラインに依存しています。シリコンフォトニクス技術は、主に200mmシリコンオンインシュレータ（SOI）プラットフォームで実行され、200mmリソグラフィおよびエッチング装置の技術的限界を解決するために300mmウェーハへの移行を促進し続けています。光インターコネクトの速度と帯域幅の範囲を拡大するために、電気光学係数の高い薄膜技術が研究されています。

前述のフォトニックアプリケーションは、今後5〜10年で驚異的な成長を遂げると予想されています。 3Dセンシング、LIDAR、光相互接続、AR / VRディスプレイなど、これら4つの主要アプリケーションの市場規模は、2020年の80億ドルから、2025年の233億ドルまで、年平均成長率31％で成長すると予想されます（図6 ）。 3Dセンシング技術は新しいアプリケーションを模索していますが、LIDARおよびAR / VRディスプレイはまだ開発の初期段階にあり、より高い複合年間成長率で成長すると予想されています。オプトエレクトロニクスアプリケーションの成長は、パフォーマンス、製造、およびシステム統合の観点からデバイス技術の課題に対処する必要があります。今日、さまざまな力が新しいプロセス装置の需要を駆り立てており、デバイスの性能の問題を解決するだけでなく、優れたプロセス制御を実現し、全体的な製造歩留まりを向上させることができます。