Applied Physics Letters | 使用轉印技術將銦磷激光器異質集成到硅基光電子波導平臺上

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引言
硅基光電子技術在多個領域展現出巨大應用潛力，包括數據通信、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片上光源的關鍵技術。
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/ J6 n3 j5 h6 c; }本文探討利用微轉印技術將基于銦磷的激光器異質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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集成過程
7 W9 ~9 o9 L1 d9 z( K" V5 L集成過程可分為三個主要步驟：

銦磷耦合塊制備

轉印

轉印后器件制造
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# ~4 ]. k6 Q9 A& W! E. ~1. 銦磷耦合塊制備
1 J& v% t: K/ A% W7 V. q2 `! n首先，使用金屬有機氣相外延（MOVPE）技術在銦磷晶圓上生長III-V族外延層。這一步驟的關鍵在于在增益區(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。

6 i1 V1 N; ?9 [. h! r8 `圖1：III-V族耦合塊-硅波導結合區(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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7 B! l  D# V0 _0 E* Q& ?2. 轉印
耦合塊制備完成后，將其轉印到硅絕緣體（SOI）晶圓上。SOI晶圓經過氧等離子體處理以增強鍵合效果。轉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。
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3. 轉印后器件制造
轉印完成后，在目標晶圓上進行多個制造步驟以實現最終的激光器件。
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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) F" _# U' _& @* \9 {
- _6 V/ D# M4 y; i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構。


, ]% i% ^! `% W- n7 {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構。
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2 ~* ?& C4 u! b* r& }& `. p- F激光器設計與性能
: U0 p# F. e0 W! z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構實現的，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構的模擬功率傳輸，展示了兩種材料之間的高效耦合。

0 `) u' D9 P1 X5 v6 n激光器性能
制造的激光器展現了令人鼓舞的性能特征：

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1. 法布里-珀羅和離散模式激光器
5 V, k' d  |. ^* g; Z+ x( w" f9 P

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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9 ~2 P# U9 _6 z' y  w$ J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
. j( d4 W1 M1 C1 _5 }

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


  Z" x) ]; E/ s: F( ]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。
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7 X# M& u) _3 ?+ P9 |+ ]光學注入鎖定：
; q8 s+ O/ P+ j# T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。

+ [) L/ d7 D8 z. ^0 d$ I圖8：光學注入鎖定實驗結果，展示了增強的邊模抑制效果。
; k- x2 h/ {2 J# J
9 e% k, O" k4 }% F/ I8 z- E: r+ E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

適合高容量生產的可擴展性

激光器設計和制造的靈活性
[/ol]
- x; H) E  [0 F8 B7 t然而，仍存在一些挑戰(zhàn)：
( r! [& V/ w/ ?- S# l& ~  C

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
( L/ r6 b( l, H. t( T* J
3 L( y1 h4 I$ S% @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
[/ol]
* A% X, i6 _: L' P- j: q結論
' M+ F4 a* j- T2 K+ e1 p利用可擴展轉印方法將銦磷激光器異質集成到硅絕緣體波導平臺上，為實現高性能、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的挑戰(zhàn)，并開發(fā)穩(wěn)健的制造工藝，為大規(guī)模生產具有片上激光器的集成光電子線路提供了可能。
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" |% L; F* Y& d% _7 F隨著硅基光電子技術不斷發(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方面發(fā)揮關鍵作用。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，使在實現硅基光電子技術在各種前沿應用中的全部潛力方面更進一步。

& {$ Y% n2 q! f0 L0 P* i- j參考文獻
9 u3 i" Y6 ], d8 P& y[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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