Applied Physics Letters | 使用轉(zhuǎn)印技術(shù)將銦磷激光器異質(zhì)集成到硅基光電子波導(dǎo)平臺(tái)上

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
硅基光電子技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力，包括數(shù)據(jù)通信、電信、激光雷達(dá)、5G、人工智能、量子計(jì)算和光譜學(xué)。然而，由于硅的間接帶隙特性，難以實(shí)現(xiàn)高效的光生成。為解決這一問(wèn)題，將銦磷等III-V族材料與硅波導(dǎo)集成成為實(shí)現(xiàn)片上光源的關(guān)鍵技術(shù)。

( Q( j; \$ n9 U- Y# `7 H本文探討利用微轉(zhuǎn)印技術(shù)將基于銦磷的激光器異質(zhì)集成到硅基光電子線路上。這種方法具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，包括最大限度地減少昂貴外延材料的浪費(fèi)、適合高容量制造，以及提高對(duì)準(zhǔn)精度[1]。


集成過(guò)程
2 c7 ?6 C+ }0 D1 C! z集成過(guò)程可分為三個(gè)主要步驟：

銦磷耦合塊制備

轉(zhuǎn)印

轉(zhuǎn)印后器件制造
[/ol]
- c* N1 t# L( m) m3 a1. 銦磷耦合塊制備
首先，使用金屬有機(jī)氣相外延（MOVPE）技術(shù)在銦磷晶圓上生長(zhǎng)III-V族外延層。這一步驟的關(guān)鍵在于在增益區(qū)下方引入雙釋放層（400納米的砷化銦鎵覆蓋在100納米的鋁砷化銦上）。這種復(fù)合釋放層方法顯著縮短了刻蝕時(shí)間，同時(shí)為直接鍵合提供了光滑表面。
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圖1：III-V族耦合塊-硅波導(dǎo)結(jié)合區(qū)的掃描電子顯微鏡圖像，展示了銦磷耦合塊成功集成到硅波導(dǎo)上的情況。
  U$ C2 y, G; Y0 y* q# g
' H! O8 ^! Y9 C; K7 z( q2 y2. 轉(zhuǎn)印
& b) h3 u$ e! B. O: `5 ^/ E耦合塊制備完成后，將其轉(zhuǎn)印到硅絕緣體（SOI）晶圓上。SOI晶圓經(jīng)過(guò)氧等離子體處理以增強(qiáng)鍵合效果。轉(zhuǎn)印過(guò)程允許精確地將銦磷耦合塊直接放置在硅波導(dǎo)上方。
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圖2：鍵合堆棧的橫截面掃描電子顯微鏡圖像（假彩色），展示了銦磷耦合塊成功鍵合到硅波導(dǎo)上的情況。

) k, @# a( a$ Q+ M' L: u; n$ Y! u3. 轉(zhuǎn)印后器件制造
轉(zhuǎn)印完成后，在目標(biāo)晶圓上進(jìn)行多個(gè)制造步驟以實(shí)現(xiàn)最終的激光器件。
這些步驟包括：

保護(hù)耦合塊打印區(qū)域外暴露的硅波導(dǎo)

使用光刻技術(shù)在耦合塊上定義加工窗口

使用電子束光刻（EBL）定義銦磷脊

N型金屬化

使用BCB進(jìn)行平坦化

P型金屬化

開(kāi)啟通孔

焊盤金屬化

刻蝕光柵和環(huán)形反射鏡上的介電層
[/ol]

# ^% v" Y; ~$ `" W- n  a圖3：ICP刻蝕形成銦磷脊后的掃描電子顯微鏡圖像，展示了精確定義的激光器結(jié)構(gòu)。
8 _1 R: t  o3 Y" X
6 [9 q  p# F& l, z7 e/ ?# H
3 J2 O0 E. H8 [% b9 m$ u" [圖4：脊中部的波導(dǎo)最終橫截面（假彩色），展示了完整的激光器結(jié)構(gòu)。
6 k! S4 V+ H) r$ j" L# K8 P; C2 p; q
激光器設(shè)計(jì)與性能
  n/ R% D" p0 D; H/ f5 x/ |集成的激光器設(shè)計(jì)用于O波段（波長(zhǎng)約1310納米）操作。制造并表征了三種類型的激光器：法布里-珀羅（FP）、分布布拉格反射（DBR）和離散模式激光器（DML）。

倏逝耦合
激光器設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵方面是銦磷增益區(qū)與硅波導(dǎo)之間的倏逝耦合。這是通過(guò)精心設(shè)計(jì)的絕熱錐形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，確保兩種材料之間的光傳輸平滑進(jìn)行。

3 P0 a+ G9 |) q* u, F! E' {圖5(a)和5(b)：硅與混合波導(dǎo)之間垂直錐形結(jié)構(gòu)的模擬功率傳輸，展示了兩種材料之間的高效耦合。

1 C( {4 e5 W. w激光器性能
/ I7 B8 ^# S- W9 t, M7 a+ j& g制造的激光器展現(xiàn)了令人鼓舞的性能特征：
2 ^' L4 Y4 {5 J+ ?6 g$ p6 A. ?2 Z

0 g: V4 T. ?! S0 Z8 E3 }  P1. 法布里-珀羅和離散模式激光器
5 q1 ?- z* x# h; c6 Q3 w; r

激射閾值：20°C下約100毫安

DML的邊模抑制比（SMSR）：最高35分貝

波長(zhǎng)調(diào)諧：0.01納米/毫安（電流誘導(dǎo)）和0.084納米/°C（溫度誘導(dǎo)）
3 G) H* Q3 N0 ^0 ~" P/ P

圖6：20°C下不同偏置電流的FP和DM激光器測(cè)量光譜，展示了槽對(duì)激光器性能的影響。

! l1 |. h* R+ x# g2. 分布布拉格反射激光器

激射閾值：約90毫安

SMSR：最高20分貝

估計(jì)片上輸出功率：>1毫瓦
* c0 M9 k8 w+ n- d7 P1 @0 \

圖7：DBR激光器在不同電流下的光譜演變，展示了多模和單模操作區(qū)域。
( K" f7 u& l) ^' S
光學(xué)注入鎖定：
( B1 z) R3 [8 t# i+ O% h研究還演示了光學(xué)注入鎖定（OIL）的可行性，當(dāng)外部激光器的光注入到片上激光器時(shí)，顯示出改善的邊模抑制效果。

/ q& c5 B4 v! X8 X2 g- R圖8：光學(xué)注入鎖定實(shí)驗(yàn)結(jié)果，展示了增強(qiáng)的邊模抑制效果。
9 b) Z3 f6 a( ~; B( u$ a
優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)
所提出的集成方法具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)：

高對(duì)準(zhǔn)精度：約300納米，可進(jìn)一步改進(jìn)

最大限度地減少昂貴外延材料的浪費(fèi)

適合高容量生產(chǎn)的可擴(kuò)展性

激光器設(shè)計(jì)和制造的靈活性
[/ol]
然而，仍存在一些挑戰(zhàn)：

由于制造問(wèn)題，輸出功率低于預(yù)期

高熱阻限制了最高工作溫度

需要改善量子阱區(qū)域的模式限制

0 H% t: O- u2 p/ I* q; ^* K未來(lái)改進(jìn)
9 l% _8 C# b5 `% K! Y( E為提高這些集成激光器的性能，可考慮以下幾項(xiàng)改進(jìn)：

在EBL過(guò)程中使用薄導(dǎo)電聚合物涂層，減少充電效應(yīng)并提高對(duì)準(zhǔn)精度

優(yōu)化制造工藝以提高輸出功率

實(shí)施熱管理策略，如使用熱分流器或高熱導(dǎo)率中間層

進(jìn)一步優(yōu)化倏逝耦合設(shè)計(jì)，改善銦磷和硅波導(dǎo)之間的功率傳輸
[/ol]
. C& x  o- s9 u' [結(jié)論
) b4 S  P- M! M% ], `+ g. Q$ u利用可擴(kuò)展轉(zhuǎn)印方法將銦磷激光器異質(zhì)集成到硅絕緣體波導(dǎo)平臺(tái)上，為實(shí)現(xiàn)高性能、集成的硅基光電子應(yīng)用光源展示了巨大潛力。通過(guò)克服與打印機(jī)引起的對(duì)準(zhǔn)不良相關(guān)的挑戰(zhàn)，并開(kāi)發(fā)穩(wěn)健的制造工藝，為大規(guī)模生產(chǎn)具有片上激光器的集成光電子線路提供了可能。

. R) Y( x! V4 p. ^隨著硅基光電子技術(shù)不斷發(fā)展并在各個(gè)領(lǐng)域找到應(yīng)用，將III-V族激光器高效集成到硅波導(dǎo)上的能力將在推進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。本文提出的方法為解決這一集成挑戰(zhàn)提供了很好的解決方案，使在實(shí)現(xiàn)硅基光電子技術(shù)在各種前沿應(yīng)用中的全部潛力方面更進(jìn)一步。

! S$ E% Q2 L9 B# q* j4 T7 \參考文獻(xiàn)
[1] S. Ghosh et al., "Scalable transfer printing approach to heterogeneous integration of InP lasers on silicon-on-insulator waveguide platform," Appl. Phys. Lett., vol. 125, no. 8, p. 081104, Aug. 2024, doi: 10.1063/5.0223167.
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