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)。
/ ~8 K+ @2 b* E- R: M& F) G. x
/ X& k+ j! V- y# }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，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]。
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集成過程
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
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0 D- L) A" ~$ G6 C9 u  P  g" @1. 銦磷耦合塊制備
5 L- H$ b% x/ W  U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。
5 N) }$ F, p  ]9 N
* B) j5 x  M1 {4 H$ `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。
; T1 M' }( C* ~$ @4 }; `
* W- t/ }- f' k/ M2 q! j2. 轉(zhuǎn)印
" T2 [; `, P3 _2 |- x$ P0 @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。
$ D3 @- u' }. I
9 P; q% f. n3 ]3 e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。
" u7 |* t/ [* [+ g9 o
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

開啟通孔

焊盤金屬化

刻蝕光柵和環(huán)形反射鏡上的介電層
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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)。


6 B& D7 ~, O+ Q2 a5 P+ R. J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)。

激光器設(shè)計(jì)與性能
9 z. i# h1 s( D; N集成的激光器設(shè)計(jì)用于O波段（波長約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）。
; N1 [9 q" H4 S$ u  e
! H0 f( U, l" x% l倏逝耦合
0 N( w+ D/ ^! k% P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。

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。

; U; [) X. I' @) y/ u- H4 C8 Q激光器性能
制造的激光器展現(xiàn)了令人鼓舞的性能特征：
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7 o  V1 A1 x( e* P1. 法布里-珀羅和離散模式激光器

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)）
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圖6：20°C下不同偏置電流的FP和DM激光器測量光譜，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
, t/ l: d! \" x$ c/ V8 V
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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。
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光學(xué)注入鎖定：
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。
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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。
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# c3 I4 ?# o4 j優(yōu)勢與挑戰(zhàn)
所提出的集成方法具有多項(xiàng)優(yōu)勢：

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
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然而，仍存在一些挑戰(zhàn)：

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

未來改進(jìn)
5 F& w9 G8 Z: J0 j4 ]+ ?* r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
[/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。
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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)
  s  d, P$ d$ c6 I4 E[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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