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
* m+ l1 @' R( r8 m! Y/ w1 ^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)。
& }* a* M* M' y8 a( w
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(xiàn)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]。
0 b% V. J) _4 _; ?

! d5 c+ o' e8 l: w* k4 x集成過(guò)程
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]
1. 銦磷耦合塊制備
8 i3 J) d9 l& E# \; n4 ~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。
, u9 L* k: f2 i! s, W! ~
$ X6 ^5 l! F* f8 X4 D5 b2. 轉(zhuǎn)印
1 c3 E8 U' m" C' I( n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。

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。
- ^; r4 m! ]; _
3. 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(pán)金屬化

刻蝕光柵和環(huán)形反射鏡上的介電層
7 X2 u1 t/ [/ l: `+ @' N[/ol]
2 h+ C5 Z( P: m; P
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)。


- \' r9 q+ {' l- |! v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)。

" a1 I! ^: x6 j/ _4 i; I+ ]& M& \激光器設(shè)計(jì)與性能
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(lèi)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）。

/ R! R- S9 R3 @% @) ?1 x( q; M倏逝耦合
0 n* m0 Z! [! Z- U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 g$ \; v' g" B2 ~
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。
& v# B: a! _9 ?8 O; w
! y: g* V: ~" e! H% h激光器性能
制造的激光器展現(xiàn)了令人鼓舞的性能特征：


+ V; V. G3 T( p' g  \1. 法布里-珀羅和離散模式激光器
- ]- d% V- B% }* C

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)）

. H( ?1 s! ~( q- D* R' |" a
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
4 L. G+ d4 ~7 m5 b4 {  i5 g+ \

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

. W! e/ e' g5 h: q6 b
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。

- o6 e( E- o8 Q; m6 E0 q光學(xué)注入鎖定：
2 e) d+ G; v1 F4 `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。

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。
1 e3 U1 U' l& i" d& ^& P  M; d
8 c% B7 C9 g4 v5 S$ y6 `優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)
& _, k& j- D( q$ X& @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
4 R3 d9 r; P" v, O3 w# m[/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

8 {! T3 o% B4 |6 |0 [- A! x3 P. q未來(lái)改進(jìn)
- o* `5 f+ u+ k2 @: i' ]: J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
( x% B& q# p) S8 A' H$ t[/ol]
結(jié)論
) Y! Z- y* ~9 }2 f, [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(xiàn)路提供了可能。

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.
6 t8 F7 M7 ?3 L- ]9 U4 lEND


軟件申請(qǐng)我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請(qǐng)?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無(wú)論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng)
; N: y. n! }+ ~7 P# z% \$ {5 W
歡迎轉(zhuǎn)載
* Q% z2 Q; T5 r. U- B
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！
8 d3 V$ i1 q2 v( g" W$ d+ T- \
% r" M4 `. W5 E  n: E

- ^8 Q$ v' ~6 [4 t8 {1 v

關(guān)注我們

( `' s0 U( g* D$ w

                     
/ M; |) {+ r1 [0 O6 T5 @- c
* f+ J9 k; Z  a

) T$ p4 ]( J+ w0 L) e, Z: I關(guān)于我們：
. Q/ |  y7 f3 p; |7 X  w6 l3 Y深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專(zhuān)注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開(kāi)發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶(hù)。逍遙科技與國(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線(xiàn)合作，推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶(hù)提供前沿技術(shù)與服務(wù)。

* o3 G; Q. A/ ^- I2 M2 Q1 i8 fhttp://www.latitudeda.com/
$ X7 w, {- F- [" w7 b（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）