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)平臺上

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
6 I4 C/ n0 u2 j& ~& x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)。

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，以及提高對準(zhǔn)精度[1]。


# Q1 }& P, y# A( }: Y: W集成過程
$ W% W/ T/ B/ ]  m% i; a; S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
8 W, D2 B& m# ~' b0 m  \+ N[/ol]
1. 銦磷耦合塊制備
% a! v( z& h7 I  J" q1 _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。
: `/ ?1 @. L- a2 m1 \
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。
% E( {) Q* T* P1 D
  B$ |$ I: ~; B' R+ o0 i% ?+ P2. 轉(zhuǎn)印
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。
6 i- ?1 p4 m" S; b  [- {
. G' j  X8 t1 o2 o$ I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
; d5 @, ^8 {  M% E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
[/ol]
% O0 j; y# ?; E& t  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)。
2 Q1 I# b1 j3 W; j

- n9 {, _% O& @: `# e4 {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)。
! d9 k6 D3 B2 o) z
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）。

& U, S3 \, C8 ?% ]! Y' D倏逝耦合
9 x+ N6 }5 b8 F5 y- {6 n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。

6 ]- }; n5 g- n激光器性能
7 ?* n& s5 d$ U  C- h5 x4 O制造的激光器展現(xiàn)了令人鼓舞的性能特征：
! n0 e/ \/ t( W/ ?" x
/ k8 H3 g( [9 m. S" E+ d8 N( G
8 R$ I& E' ?6 u, J9 q) R0 B8 i1. 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)）


圖6：20°C下不同偏置電流的FP和DM激光器測量光譜，展示了槽對激光器性能的影響。
5 l2 F, D7 P3 ^7 ?
2. 分布布拉格反射激光器
0 \: [% e# J  q

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


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。
  b& }  k6 B0 U8 A, f" N4 b8 `' |
1 f7 P  [/ m8 |光學(xué)注入鎖定：
' l6 p9 `0 E1 C0 U4 V+ \0 [6 z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。

, Y& N# |+ o* T1 p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]
' f6 `/ O: G! u" L然而，仍存在一些挑戰(zhàn)：
6 S% d( Z( C  v! }

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)
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。
  j$ i" y$ C+ x6 |2 M
1 B: P" v( X$ m4 k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。
3 ]& a) g+ Q1 V4 Q$ o$ z
' o, e( U1 M0 @" B# X( y& w# j參考文獻(xiàn)
9 {! `9 `& g8 r$ _( `" R, ^- V[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.
3 c" a* N/ N; J9 g, _3 y7 M* Q- _END

8 k5 e$ Q0 K0 d0 H7 p
軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(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

歡迎轉(zhuǎn)載
: H* Y: v9 u0 u4 X( Y+ F
+ Q* k6 s( S0 L; l, Z0 [轉(zhuǎn)載請注明出處，請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！




5 A7 ~4 I+ p; B& n) G( e: M" R) I$ _
關(guān)注我們

% [0 m1 G% R4 n* A) c

/ `( b3 ]9 C) I! h* Q7 c+ I- q

0 c( ]4 c1 I! N* o6 Y7 l

                     


1 i/ I" {/ C9 {+ ]8 G. M
2 [1 {$ L. [$ F5 R( @  ?關(guān)于我們：
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)。
) N: G* ]5 T% J/ o
; _/ y1 E- n: b! T- e4 uhttp://www.latitudeda.com/
（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）