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
8 D6 a" Q9 S: p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)。

! y9 H( h. [$ g; o8 X; 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]。
! r1 C& M+ u$ m9 g9 Q

6 I  i- ?. h7 r) B$ g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
* G% I8 x+ n4 W3 F) o, o4 ^% D[/ol]
; h" b( G8 H# ^, |1. 銦磷耦合塊制備
9 C: U+ S" ^& G( 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(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。

6 V) Y; p- O' V7 P# p! ]! {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。

2. 轉(zhuǎn)印
5 `. M, v! ]/ {$ ~) \# C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。
: |  K7 R5 ?( G2 G" P9 Y* q
8 z- G# F" z' k4 q  W% 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。

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。
  v( P2 {, v! A' L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
8 |) U" r7 G( C+ f[/ol]

& ~- S( ^/ N, J7 E- L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)。
$ ?4 Z. ^7 C* i. E) e& H, T

! G0 s0 E8 c, S8 G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
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）。
" f" }9 h* d9 j: j* G
) g0 v  Q6 C+ m3 c7 u+ R8 y: s倏逝耦合
3 X/ O" ]) j: Y4 M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。

9 E* m1 f. D$ F& t6 W! c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。
, F' r. F3 D: ]& p
6 j! j8 L5 C- f激光器性能
制造的激光器展現(xiàn)了令人鼓舞的性能特征：
3 b' s8 _6 T! S5 S1 ~
5 w& t# }1 t/ A8 Z8 L
1. 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(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)）


( \! r, {& [2 Z! K1 K9 J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
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4 W% i, C: U9 a9 m- |
# i' q2 `! C2 }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。
3 W, `/ I- _  K
光學(xué)注入鎖定：
8 g. {3 ?' T: b4 \3 ?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。

& i- u0 f- o8 B0 a! g* u" F! K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。

% c7 d. [1 u* e  g8 S  T. h: {優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)
5 N; V, _! ]* P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)：
5 k# {1 n. u" T0 _/ b& L

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

未來(lái)改進(jìn)
  N# I: L: g) l: f$ 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(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]
結(jié)論
" E/ v8 z! T1 H( k# `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。

/ X& ^$ F2 Y9 Z, z4 R; T" ?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。

: Z2 z2 ?/ f# @- C8 z3 m參考文獻(xiàn)
6 o+ z  v) L) |4 d[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.
END


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深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(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。逍遙科技與國(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
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