Applied Physics Letters | 使用转印技术将铟磷激光器异质集成到硅基光电子波导平台上

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引言
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。

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]。
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集成过程
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
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& H9 w+ c  q3 e' o1. 铟磷耦合块制备
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。
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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。

8 q& k. s$ h$ i, o- l; ^2. 转印
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。
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1 v' `; d, E% _3 B$ {0 S6 [1 n# Z3 o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。
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& V8 h; B; `5 E1 W, ~- T6 E3. 转印后器件制造
" a5 z4 r3 Y5 z# h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。
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
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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。
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* p" h+ D* E) Q9 s, y' s6 u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。
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激光器设计与性能
! _1 J/ k$ B; j- s. B$ h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）。

倏逝耦合
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。

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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。
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激光器性能
制造的激光器展现了令人鼓舞的性能特征：

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# _! K7 y( f7 B& D8 q* [1. 法布里-珀罗和离散模式激光器
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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）

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. o3 a+ c5 g- L; d3 g# ?5 }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。

2. 分布布拉格反射激光器

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

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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。

光学注入锁定：
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。

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4 L  U) T) k" k5 A图8：光学注入锁定实验结果，展示了增强的边模抑制效果。

; T# s; K6 a8 [: Q优势与挑战
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
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然而，仍存在一些挑战：
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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
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未来改进
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
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结论
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。
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0 R' P; I" E! A/ \9 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。

* ]" s' Y! ]3 }& _0 x& c5 G参考文献
& d) _: x& Y1 \6 R9 h, @2 L4 _[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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