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
2 z0 {; C- Y; i8 r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)。
; B1 r% l! ~3 o: u6 |  R. L
" x+ G, s( l8 ?# |8 C* C$ h# I% g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]。


集成過程
' j" Y9 j$ u) Y9 [集成過程可分為三個(gè)主要步驟：

銦磷耦合塊制備

轉(zhuǎn)印

轉(zhuǎn)印后器件制造
; a8 E  \) E# z4 K[/ol]
8 Z9 T8 O7 M' z6 [+ X& \8 e9 X1 b1. 銦磷耦合塊制備
  S6 o/ S1 @' {: X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。

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。
. D% R( U# E; S) r+ s% }
2. 轉(zhuǎn)印
& j8 e$ w7 R0 e' x5 u7 v. `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)過氧等離子體處理以增強(qiáng)鍵合效果。轉(zhuǎn)印過程允許精確地將銦磷耦合塊直接放置在硅波導(dǎo)上方。
% B4 p# w0 Z6 X3 K
4 E* j6 E* X& n) _% p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。
0 }' [; d$ K' {2 E; A( u- U& c0 b& \
& S* N, S! b! @! t/ `3. 轉(zhuǎn)印后器件制造
* b+ u! x7 K  ~2 {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

開啟通孔

焊盤金屬化

刻蝕光柵和環(huán)形反射鏡上的介電層
2 v+ d( j8 `0 Y9 d: s6 J[/ol]
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% A+ K! v3 O7 H' u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)。


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)。
* m! A9 s' O0 d
& f% m0 s# I3 w# q激光器設(shè)計(jì)與性能
2 J4 G# }! t  P! {1 \- x! n/ 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）。

. L5 T6 t" |+ @9 |! y6 [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。
# t% d) y) [- x7 c$ C  ]% 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。

9 w- k6 b& w4 @0 D* [激光器性能
制造的激光器展現(xiàn)了令人鼓舞的性能特征：
0 ~7 O: e3 |) P

1. 法布里-珀羅和離散模式激光器
+ ~0 X' w( |8 Z' Q% T

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)）
8 q5 d3 s, Q% ^( [

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。

2. 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
* s& F( |2 p4 h4 I& o' B
: O8 D5 J/ g, V5 R* a( g, c! f' T
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。
8 a: \- M, q& Y; P/ r
8 ?) X/ e! c; ?光學(xué)注入鎖定：
; J& J( J) @$ A+ t7 M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。
  N  Q, P* b. H) W' x9 \6 V
% N( g- E, e% I! {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 P: {/ e& l2 o. \0 f( N9 U
優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)
5 i' A$ p) d* |7 J' h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
1 l; e2 W3 L) W! m8 S[/ol]
* Q/ @% p( G" d7 A, N, l然而，仍存在一些挑戰(zhàn)：
/ n1 p2 ~) s2 J2 B3 ^9 T) b6 r

由于制造問題，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
- L: }+ U  G! X; l; U
+ e) v, j- P0 P5 C未來改進(jìn)
( y3 w) i) ^: J' J- W' t5 c' p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
. s9 \3 M6 h( E* D( {9 P1 L3 Y: T[/ol]
結(jié)論
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。
/ I) I4 U- p* @% h7 C
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。

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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