|
|
引言5 _& h8 V9 d0 v/ e# ]; U3 W3 i! v
硅基光电子技术在多个领域展现出巨大应用潜力，包括数据通信、电信、激光雷达、5G、人工智能、量子计算和光谱学。然而，由于硅的间接带隙特性，难以实现高效的光生成。为解决这一问题，将铟磷等III-V族材料与硅波导集成成为实现片上光源的关键技术。; f+ A5 U! c4 g, ]# p1 Z6 W
! r, {; I2 }. M) y, X# C& P- T本文探讨利用微转印技术将基于铟磷的激光器异质集成到硅基光电子线路上。这种方法具有多项优势，包括最大限度地减少昂贵外延材料的浪费、适合高容量制造，以及提高对准精度[1]。
# _6 }4 Y& m: D; S: v H9 [% w- k
a0lqyvqbbrg640106064822.png
J/ ]# q" W8 b7 O' w- R _
' z3 \: |4 ?" Z8 u: q! b0 H, g# `集成过程, B) \4 j" l$ J0 I" ~; v) {
集成过程可分为三个主要步骤：铟磷耦合块制备转印转印后器件制造
: ]1 b9 l& z0 ^1 g[/ol]
+ {5 N" s; D+ y$ T4 A1. 铟磷耦合块制备+ F9 Y; ]" O, m4 j
首先，使用金属有机气相外延（MOVPE）技术在铟磷晶圆上生长III-V族外延层。这一步骤的关键在于在增益区下方引入双释放层（400纳米的砷化铟镓覆盖在100纳米的铝砷化铟上）。这种复合释放层方法显著缩短了刻蚀时间，同时为直接键合提供了光滑表面。
$ M3 Q+ |) Y' d
xz5p0f33lba640106064922.png
4 e$ V1 m6 k( u; V! r图1：III-V族耦合块-硅波导结合区的扫描电子显微镜图像，展示了铟磷耦合块成功集成到硅波导上的情况。/ X5 ^$ R! I6 w" q0 Y
" I/ J5 M" T7 K3 v2. 转印
/ v0 k8 D8 `! c* W e* o耦合块制备完成后，将其转印到硅绝缘体（SOI）晶圆上。SOI晶圆经过氧等离子体处理以增强键合效果。转印过程允许精确地将铟磷耦合块直接放置在硅波导上方。
, E* t1 a8 m* y. ~# b7 i% G8 K
43vkhjfsl4m640106065022.png
3 p. G6 j* `" {图2：键合堆栈的横截面扫描电子显微镜图像（假彩色），展示了铟磷耦合块成功键合到硅波导上的情况。- T, `, ?1 y) r# j, a' |
# ~9 f' y# |/ g# }+ O
3. 转印后器件制造
2 V# t7 Y% a; U( A1 U9 L# E转印完成后，在目标晶圆上进行多个制造步骤以实现最终的激光器件。
! m! b$ n# f! ~6 t; D! B* Z这些步骤包括：保护耦合块打印区域外暴露的硅波导使用光刻技术在耦合块上定义加工窗口使用电子束光刻（EBL）定义铟磷脊N型金属化使用BCB进行平坦化P型金属化开启通孔焊盘金属化刻蚀光栅和环形反射镜上的介电层
! o' h' {5 t0 k, ?' m: B, X[/ol]) {3 X1 h' t% @1 d; F* L* b6 G1 }
rzwg5kehqab640106065122.png
6 p7 y9 q& ?% t: X9 G6 z7 ?
图3：ICP刻蚀形成铟磷脊后的扫描电子显微镜图像，展示了精确定义的激光器结构。
& Y. k- d7 x5 _" n! M" c2 I. M& [( d! v8 n% p! n* v* B
cvsym3j5njp640106065222.png
. C2 j) C5 u/ S- I( d图4：脊中部的波导最终横截面（假彩色），展示了完整的激光器结构。
. p* y+ \! z0 o! F
n) R' P& j' E6 ^8 d! a激光器设计与性能% f7 x' w3 b/ }
集成的激光器设计用于O波段（波长约1310纳米）操作。制造并表征了三种类型的激光器：法布里-珀罗（FP）、分布布拉格反射（DBR）和离散模式激光器（DML）。3 K& u4 E& r' u# Q
0 N3 W/ Z2 P8 ]' R# E8 W: \' F倏逝耦合
3 j/ ~3 T) i" }& |( d. F H激光器设计的一个关键方面是铟磷增益区与硅波导之间的倏逝耦合。这是通过精心设计的绝热锥形结构实现的，确保两种材料之间的光传输平滑进行。( r3 D. F# z2 u8 V& y
3gsvyind3ug640106065322.png
9 S8 q$ H4 U% V. W# z
图5(a)和5(b)：硅与混合波导之间垂直锥形结构的模拟功率传输，展示了两种材料之间的高效耦合。4 T t) z- ~+ W' g* Q3 Y
8 S7 D) G2 f4 D0 U. U激光器性能+ C9 g1 h( t3 [9 V, W
制造的激光器展现了令人鼓舞的性能特征：
' \/ `2 a6 C. P: c! E5 [1 s% x6 H g. h3 [& i
6 B. ]. l: w" ]/ X" A
1. 法布里-珀罗和离散模式激光器# e4 D$ j/ G* j, d
激射阈值：20°C下约100毫安DML的边模抑制比（SMSR）：最高35分贝波长调谐：0.01纳米/毫安（电流诱导）和0.084纳米/°C（温度诱导）7 z' b6 m( p1 ?7 I/ J3 z3 V9 ]
/ }- K$ e, f8 p5 G: g9 W
a0klevr2532640106065423.png
( \- l5 j# c! r7 D1 Y图6：20°C下不同偏置电流的FP和DM激光器测量光谱，展示了槽对激光器性能的影响。
M1 h B+ j2 T
& y0 Q/ ~, g. V) ?6 ?( f. @. Q A b2. 分布布拉格反射激光器
! r; A, |& }& R: C8 g4 a/ I u( s激射阈值：约90毫安SMSR：最高20分贝估计片上输出功率：>1毫瓦
# z7 w* O, Y" S" @- H1 H( b8 w: a( u z
hhe4dk1oov3640106065523.png
; `- ~# T" V& j3 L+ F2 ]0 j% p
图7：DBR激光器在不同电流下的光谱演变，展示了多模和单模操作区域。
# t- _* a! J" d- `. D q& m
/ L# ^9 o; B- g7 N: r/ _光学注入锁定：
9 ]$ d4 O; M) W2 _, w$ t: s研究还演示了光学注入锁定（OIL）的可行性，当外部激光器的光注入到片上激光器时，显示出改善的边模抑制效果。
' e% Q& M6 [; H' E9 _( G, w& q
atu0tw00g5z640106065623.png
5 f$ ~8 j2 x z5 e图8：光学注入锁定实验结果，展示了增强的边模抑制效果。" @) F; k: b$ y' [6 B- c0 ]
+ a5 v: A* _& W, X+ e9 f, m
优势与挑战
. f, Y' U, S2 s9 |% m) I5 D所提出的集成方法具有多项优势：高对准精度：约300纳米，可进一步改进最大限度地减少昂贵外延材料的浪费适合高容量生产的可扩展性激光器设计和制造的灵活性
1 ?; u* H4 M; ?4 E# ~[/ol]
/ c1 C' l' f+ @4 C3 P) g然而，仍存在一些挑战：
1 V1 U7 \ \7 N# ~/ Z m0 r由于制造问题，输出功率低于预期高热阻限制了最高工作温度需要改善量子阱区域的模式限制
6 K, \: Q# c. i4 ~, U! E9 X2 @$ X
* p _& ]' t' i, m8 G$ h6 r未来改进
( B& Z% K: K1 I$ V5 q2 U为提高这些集成激光器的性能，可考虑以下几项改进：在EBL过程中使用薄导电聚合物涂层，减少充电效应并提高对准精度优化制造工艺以提高输出功率实施热管理策略，如使用热分流器或高热导率中间层进一步优化倏逝耦合设计，改善铟磷和硅波导之间的功率传输
5 X3 r: C1 J; a# d ~3 \[/ol]
/ R+ Z1 A x$ r, W \3 Q& |0 t* F结论 ~2 F9 R0 j( b
利用可扩展转印方法将铟磷激光器异质集成到硅绝缘体波导平台上，为实现高性能、集成的硅基光电子应用光源展示了巨大潜力。通过克服与打印机引起的对准不良相关的挑战，并开发稳健的制造工艺，为大规模生产具有片上激光器的集成光电子线路提供了可能。1 U m) X9 G, l$ @7 {" Z6 y
) E! P4 s# t5 [8 N& @
随着硅基光电子技术不断发展并在各个领域找到应用，将III-V族激光器高效集成到硅波导上的能力将在推进这项技术方面发挥关键作用。本文提出的方法为解决这一集成挑战提供了很好的解决方案，使在实现硅基光电子技术在各种前沿应用中的全部潜力方面更进一步。
6 n1 D. R: O9 C6 Q g
& g3 R4 x$ o w1 H4 n/ K+ x* [参考文献
$ [4 l! y& P' S! r( ?[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: 10.1063/5.0223167.9 n6 h8 k5 m2 x5 c
END
$ y5 D& h" @& w7 }) ?. h! D/ m5 k
/ |: T/ Y+ z, N7 \' g! }6 p8 x) u! _! ? R$ W. M0 j
软件申请我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
' x$ V! p, V, K5 |; e! n# k点击左下角"阅读原文"马上申请$ y8 E/ _3 N! V$ \; ?
% t2 A5 Y; n( ^! T; {1 T
欢迎转载
9 X& x1 S8 G: e$ z( u7 M3 E( E% O7 v9 T1 ~
转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！; B6 i1 y0 e: B( P
& s5 C7 `' s$ b3 ~1 d
2 @; T. e' Z) Q' S( I
! b- J6 M# Z# Y" L9 Y
bjwax3etfi3640106065723.gif
9 r2 z; r3 P3 l& l" ]
g0 U/ X8 x3 K1 R" b; B; v7 y4 u关注我们# ^6 x, ~0 p4 c0 h7 C2 f/ G- u
. b5 D" `7 U9 q ?, `; ]' D9 E
; _( o( x) @5 {( \4 _( G
ncytl3ngkla640106065823.png
- L. f' A$ a# t3 R9 V/ Z _, m7 X
| 0 r2 ~) _* v7 U$ v* o
cm1ykdixe5q640106065923.png
6 K+ |7 f6 S8 ^
|
0 M+ q% Q+ L# f2 D4 T `3 C4 u) | y
1jlowypoexr640106066023.png
8 n( h! `; e5 E* [ |
* Q4 Y# y3 o) ~
7 E5 e& l) {) l- ?$ q1 C/ j9 Q+ B9 M( V0 {5 c
! J- y) A% ~0 S: w: @" e! x关于我们：
& L' g9 c% a0 I' `" ]6 y0 x深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。
) P! ], g/ ^9 c2 n
9 t/ p+ x, V Z, N, K" B4 _http://www.latitudeda.com/
( v/ m2 ^. v- z2 S) S（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容） |
|
电子产业一站式赋能平台
窥视卡
置顶卡
变色卡
