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

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引言
1 s. s# R  J+ k% V6 Q4 W  c硅基光電子技術在多個領域展現(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)片上光源的關鍵技術。
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本文探討利用微轉(zhuǎn)印技術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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  |5 R2 _. G+ P' f+ a* D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
! ]! ^) g1 |7 a( g% A6 a6 G7 ~1 t[/ol]
7 _; a6 B1 h( K+ n1. 銦磷耦合塊制備
- @1 A- k, I% }) V9 [7 m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。
: I; O2 q" A* H1 D; z- g3 D8 z3 r
# V! B: h- _9 H5 [* r: m9 B% l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。

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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0 \8 a3 Z9 H9 ^9 Q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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  m( h- T4 d/ l4 I: q8 b3. 轉(zhuǎn)印后器件制造
; L. C1 [0 e+ j# F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。
' s% b0 w$ p4 r5 v4 F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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# c2 E+ f) a$ d' b6 g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。

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+ |$ C3 N) Y. g2 e# ?1 b3 K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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: s- x! N* ]2 d) F+ c2 @8 H* J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(xiàn)的，確保兩種材料之間的光傳輸平滑進行。
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; O0 N) Z9 G! @4 w2 L( ?0 c! T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。
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) K7 t' T8 t" E. b3 ?$ O激光器性能
( e# ^! g" N$ `7 A制造的激光器展現(xiàn)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

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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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。

- s0 j1 e5 s: I$ y, f8 r9 q& h2. 分布布拉格反射激光器

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


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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8 `9 o$ w  w1 T$ o+ X. _光學注入鎖定：
( Z. g. ~2 q) }* k6 K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。
1 [4 Q, D; a$ v" i0 J( W7 ?/ N
9 _, S6 U. d; L$ C0 W  ?; Z2 ]4 u圖8：光學注入鎖定實驗結果，展示了增強的邊模抑制效果。
: L  I& g/ F' J- T: Z6 H: V
+ E0 j, z) |3 `6 d4 c$ u0 ^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
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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
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1 t( I0 A* ?: X" T! u1 l) P0 z結論
( q, d* B. n/ Q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。
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5 b2 R3 S/ l- E4 n5 o6 t) z  y6 g0 P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(xiàn)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。

0 c( \* l* H" }7 S2 h% H% X9 E參考文獻
/ I- G- G7 L  {; G[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 v% m- x: @. h# }1 _1 tEND
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