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平臺上

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引言
硅基光電子技術(shù)在多個領域展現(xiàn)出巨大應用潛力，包括數(shù)據(jù)通信、電信、激光雷達、5G、人工智能、量子計算和光譜學。然而，由于硅的間接帶隙特性，難以實現(xiàn)高效的光生成。為解決這一問題，將銦磷等III-V族材料與硅波導集成成為實現(xiàn)片上光源的關(guān)鍵技術(shù)。
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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。這種方法具有多項優(yōu)勢，包括最大限度地減少昂貴外延材料的浪費、適合高容量制造，以及提高對準精度[1]。
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3 o5 P! m9 e% O2 Z% e! f集成過程
集成過程可分為三個主要步驟：

銦磷耦合塊制備

轉(zhuǎn)印

轉(zhuǎn)印后器件制造
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1. 銦磷耦合塊制備
* M6 ^" l, s9 c1 z' f$ U首先，使用金屬有機氣相外延（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）。這種復合釋放層方法顯著縮短了刻蝕時間，同時為直接鍵合提供了光滑表面。
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, l, b- O) J$ p  Y6 Y6 Y# \6 c圖1：III-V族耦合塊-硅波導結(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上的情況。
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2. 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上方。
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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上的情況。

  P7 b* P  A: {2 O3. 轉(zhuǎn)印后器件制造
: w: [. Y7 U8 q" s" r: p6 Y轉(zhuǎn)印完成后，在目標晶圓上進行多個制造步驟以實現(xiàn)最終的激光器件。
這些步驟包括：

保護耦合塊打印區(qū)域外暴露的硅波導

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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3 g) h; t- A) k- u, K( f. ^- r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)。

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圖4：脊中部的波導最終橫截面（假彩色），展示了完整的激光器結(jié)構(gòu)。
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: h$ @0 `3 Z) y+ J( D2 Q" i激光器設計與性能
集成的激光器設計用于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）。
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倏逝耦合
激光器設計的一個關(guān)鍵方面是銦磷增益區(qū)與硅波導之間的倏逝耦合。這是通過精心設計的絕熱錐形結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的，確保兩種材料之間的光傳輸平滑進行。
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圖5(a)和5(b)：硅與混合波導之間垂直錐形結(jié)構(gòu)的模擬功率傳輸，展示了兩種材料之間的高效耦合。

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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$ _. W1 i( J0 q. L5 X2 q+ V: l1. 法布里-珀羅和離散模式激光器
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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）和0.084納米/°C（溫度誘導）
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' J4 {7 M# G5 E4 U" |+ x1 f! L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。

2. 分布布拉格反射激光器
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激射閾值：約90毫安

SMSR：最高20分貝

估計片上輸出功率：>1毫瓦

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" r0 K1 G7 V! A0 L' i. Y' |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。

光學注入鎖定：
8 k+ g! K! v! m0 E3 @% q% Z研究還演示了光學注入鎖定（OIL）的可行性，當外部激光器的光注入到片上激光器時，顯示出改善的邊模抑制效果。
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2 O& G5 p) S2 K8 H圖8：光學注入鎖定實驗結(jié)果，展示了增強的邊模抑制效果。

4 f8 [* V# ^! z  J, v優(yōu)勢與挑戰(zhàn)
所提出的集成方法具有多項優(yōu)勢：

高對準精度：約300納米，可進一步改進

最大限度地減少昂貴外延材料的浪費

適合高容量生產(chǎn)的可擴展性

激光器設計和制造的靈活性
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然而，仍存在一些挑戰(zhàn)：
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由于制造問題，輸出功率低于預期

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
( @6 S5 q$ y: |/ t5 o; O5 Q
2 q0 M) \4 w; A+ E  C未來改進
為提高這些集成激光器的性能，可考慮以下幾項改進：

在EBL過程中使用薄導電聚合物涂層，減少充電效應并提高對準精度

優(yōu)化制造工藝以提高輸出功率

實施熱管理策略，如使用熱分流器或高熱導率中間層

進一步優(yōu)化倏逝耦合設計，改善銦磷和硅波導之間的功率傳輸
! B/ a3 z8 P) ~9 \6 N9 X% Y  s- o[/ol]
" g; m. H) u8 k& L# a  w* w結(jié)論
; g5 S% i% ~& s" s利用可擴展轉(zhuǎn)印方法將銦磷激光器異質(zhì)集成到硅絕緣體波導平臺上，為實現(xiàn)高性能、集成的硅基光電子應用光源展示了巨大潛力。通過克服與打印機引起的對準不良相關(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。
0 a0 }0 P. S  T4 Y; Z
; u5 C2 m) V% g3 N( {2 g隨著硅基光電子技術(shù)不斷發(fā)展并在各個領域找到應用，將III-V族激光器高效集成到硅波導上的能力將在推進這項技術(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，使在實現(xiàn)硅基光電子技術(shù)在各種前沿應用中的全部潛力方面更進一步。
) `* d, U$ ?+ ~8 E
參考文獻
[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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