文章摘要
压电与声光器件是组成电子和信息系统必不可少的功能器件。然而，多数压电与声光器件采用特殊材料和工艺制造，难以与硅基的集成电路进行集成，进而影响到系统的性能、体积和成本。近年来，三维集成技术的发展为不同材料、不同工艺的压电与声光器件与硅基电路芯片的异质异构集成开辟了新途径。该文介绍了三维集成的概念、分类和实现方法，并重点介绍了光电、压电材料与器件和硅基电路的异质异构集成方案和研究进展，特别是光子器件以及压电声学器件与电子芯片的集成。
引用格式：王梓霖，王喆垚. 三维集成压电与声光器件[J]. 压电与声光, 2025, 47(1):1-19.
精彩概览
与二维平面结构相比，三维集成具有多层堆叠的特点，并利用高密度TSV和芯片间金属凸点实现芯片间的高带宽互连，拥有平面结构无法比拟的优点。
光子芯片与电子芯片的集成
3D集成将光子集成芯片(PIC)与电子集成电路(EIC)按照优化的结构进行堆叠集成，芯片之间的连接包括电学连接和光学耦合，其具有集成度高、芯片间距小以及片间连接多样性、灵活性等优点。2.5D集成以插入层作为承载基底和连接桥梁，可以集成多个EIC和PIC，具有集成难度低，芯片排布灵活及对外连接方便的优点。
光电3D集成的方法包括顺序三维集成和并行三维集成。
声学器件的三维集成
主要介绍了MEMS超声换能器和声波谐振器与电路芯片的三维集成技术。
MEMS超声换能器在医学成像、无损检测、水下检测、目标识别等领域具有广泛的应用。MEMS技术实现的微型超声换能器具有尺寸小、质量小和一致性好的特点，可以实现大规模超声阵列和超声波的可编程控制。根据换 能器的不同材料，MEMS超声换能器可分为电容式超声换能器和压电式超声换能器。
MEMS压电谐振器是利用压电材料和微纳加工技术制造的微型谐振器，其具有体积小、频率高、品质因数(Q)值高、制造和封装成本低等优点。根据工作原理，MEMS压电谐振器可分为薄膜体声波谐振器(FBAR)和薄膜表面声波谐振器(FSAW)。将多个谐振器与电路集成可以实现多种信号处理功能，如滤波器、多工器和混频器等，同时具有体积小、性能高、功能多及成本低等优点。
分析展望
三维集成技术的发展为压电与声光器件与电路芯片的集成提供了有效的技术实现方法，使高性能、高集成度、小体积的集成系统成为可能，甚至成为决定性能的关键因素。近年来集成结构、制造方法和材料设备的快速发展，推动多种集成器件已经或即将进入量产和实际应用。不同的三维集成方案需要根据被集成芯片和器件的实际特性进行选择和优化，综合考虑工艺兼容性、制造难度、系统复杂度、集成成本以及性能和可靠性等方面，最终实现可行的三维集成方案。
