北京大學(xué)常林課題組：異質(zhì)集成Si/Ⅲ-Ⅴ激光器超全學(xué)習(xí)指南

來源：中國激光雜志社

封面解讀
硅波導(dǎo)上光流轉(zhuǎn)，異質(zhì)激光共此盤。微環(huán)諧振調(diào)頻穩(wěn)，光頻應(yīng)用盡開端。文章鏈接：高旭, 常林. 異質(zhì)集成Si/III-V族半導(dǎo)體激光器研究進(jìn)展（特邀）[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2024, 61(19): 1913004.
01研究背景

近年來，隨著信息和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，推動了對高性能光學(xué)器件的需求激增。其中，作為數(shù)據(jù)通信、傳感和成像等各種應(yīng)用的支柱的光芯片引起了極大的關(guān)注。硅光子學(xué)正在成為一種極具競爭力的技術(shù)，以解決當(dāng)前數(shù)據(jù)中心和高性能計算系統(tǒng)中“通信瓶頸”的問題。利用光子集成電路（PICs）將半導(dǎo)體激光器、光調(diào)制器、放大器、多路復(fù)用器、波導(dǎo)、光電探測器等集成在單個硅芯片上。通過互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）制造和封裝技術(shù)，PICs具有超低成本、低功耗、大規(guī)模制造、大集成密度和高可擴(kuò)展性等優(yōu)勢。

硅已經(jīng)被證明在傳輸、調(diào)制和檢測光方面具有出色的表現(xiàn)，然而，它又是間接帶隙半導(dǎo)體材料，這使其發(fā)光效率低下，因此，片上光源一直是硅基PICs亟需解決的問題。為了獲得出色性能的硅上光源，科研人員進(jìn)行了大量的研究工作，已經(jīng)證明了幾種產(chǎn)生片上光源的有效方法，包括通過使用硅納米晶體、稀土摻雜、鍺及其合金、以及硅集成的III-V族光源等。另一方面，經(jīng)過十多年的深入研究，硅光子學(xué)不再局限于面向通信的技術(shù)，已經(jīng)發(fā)展成為一個多功能的集成平臺，在傳感、光譜學(xué)、信號處理、量子科學(xué)、微波工程、成像和高性能計算等領(lǐng)域具有巨大潛力。在這篇綜述中，概述了最近幾年異質(zhì)集成激光器的最新進(jìn)展，包括集成方式、發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用領(lǐng)域。

02集成方式

由于III-V族半導(dǎo)體材料具有直接帶隙和高光學(xué)增益，將III-V激光器集成到硅上是非常有吸引力的。在硅基板上實現(xiàn)Ⅲ-Ⅴ光源異質(zhì)異質(zhì)集成的方法主要可以分為一下四種類型：倒裝芯片集成、芯片/晶圓鍵合、微轉(zhuǎn)印和直接外延生長。

倒裝芯片集成技術(shù)是一種利用焊點實現(xiàn)芯片與承載晶圓或封裝基板粘合和電連接的方法。該技術(shù)最早由IBM在1988年開發(fā)，如圖1所示，用于電子電路的集成，并在電子電路革命中逐漸成熟。近年來，這一集成方法在PICs中也得到了廣泛關(guān)注。倒裝芯片集成方法的常見優(yōu)點包括其成熟的工藝、良好的熱管理、小接觸面積、在組裝前可進(jìn)行芯片測試和特性化以及高產(chǎn)率。此外，電接觸具有低寄生電感和短互連長度，適用于高頻信號傳輸（如數(shù)十GHz）。

成熟的倒裝芯片集成工藝使該方法在光子集成電路中同樣具有吸引力。目前，業(yè)界傾向于采用倒裝芯片或貼片技術(shù)直接安裝預(yù)制的III-V激光器。這種方法能夠預(yù)先選擇質(zhì)量可靠的激光器，器件成品率更高?？傊寡b芯片集成技術(shù)在電子和光電子領(lǐng)域均展示了其高效和可靠的優(yōu)勢，特別適合大規(guī)模集成和高頻應(yīng)用。在光子集成電路中的應(yīng)用進(jìn)一步拓展了其潛力，使其成為一種重要的集成技術(shù)。

圖1（a）倒裝芯片組裝的示意圖;（b）在各種基板上的倒裝芯片組裝

芯片/晶圓鍵合技術(shù)是通過物理或化學(xué)相互作用連接兩個或多個襯底或晶圓的方法。不同的晶圓表面通過它們的原子相互反應(yīng)或通過粘合劑中間層結(jié)合在一起。直接鍵合技術(shù)，是一種通過機(jī)械或電場作用，將兩塊鏡面拋光的半導(dǎo)體晶圓表面直接連接的方法，無需任何中間層，兩表面通過范德華力或氫鍵緊密接觸。

然而，這種粘附力遠(yuǎn)弱于共價鍵，需通過后續(xù)高溫退火來增強(qiáng)。退火溫度通常在800℃以上，通過等離子激活或其他特殊晶圓表面處理可降低退火溫度。圖2（a）展示了SiO2直接鍵合過程。直接鍵合工藝使得III-V/硅集成激光器得以實現(xiàn)，包括微盤激光器、法布里-珀羅激光器、分布反饋激光器和多種可調(diào)激光器。

圖2（a）直接（O2 等離子體輔助/SiO2 共價）晶圓鍵合和（b）中間層晶圓鍵合（DVS-BCB）的工藝流程示意圖

除了這種直接鍵合方法外，晶圓鍵合還可以通過膠粘劑材料作為鍵合夾層來實現(xiàn)。粘合劑鍵合是通過將粘合劑旋涂在一個或兩個晶圓的表面上，將它們面對面對齊，并施加壓力使晶圓表面緊密接觸。然后對粘合劑進(jìn)行加熱或紫外線照射，使其從液態(tài)或粘彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。DVS-BCB膠粘劑芯片到晶圓的鍵合過程如圖2（b）所示。

微轉(zhuǎn)印技術(shù)是將微米級薄膜組件從源基板轉(zhuǎn)移到目標(biāo)基板上的方法。如上所述，經(jīng)典的異質(zhì)集成方法依賴于芯片到晶圓或晶圓到晶圓的鍵合來集成III-V材料。然而，這種方法對于III-V材料的利用效率很低，因為在大多數(shù)光學(xué)芯片中，III-V光電組件所占的面積僅占電路面積的一小部分。

此外，在單個芯片上集成不同的III-V層堆疊會因為鍵合芯片所需的最小尺寸而對掩模設(shè)計產(chǎn)生很大限制。這項技術(shù)能夠為在硅PICs上更低成本地集成III-V半導(dǎo)體材料或器件提供支持，因為它只在需要的地方提供III-V材料，同時保持高產(chǎn)量和可擴(kuò)展性。圖3展示了這一過程，所有四個紅/黃樣片都是平行轉(zhuǎn)移的（當(dāng)然，數(shù)組可以包含超過四個樣片）。該圖還展示了所謂的面積放大，其中一個小型III-V晶圓可以通過重復(fù)步驟填充多個大型硅晶圓。通過使用多個源晶圓，可以直接集成多個III-V堆疊。

圖3 從III-V基板到SOI目標(biāo)基板的III-V試樣轉(zhuǎn)移打印中的面積放大圖示。第一個源晶圓的試樣用紅色表示，第二個源晶圓用黃色表示。（a）圖案印章；（b）兩個帶有圖案試樣的源基材；（c）SOI 目標(biāo)基材，左上角每個來源有四個印刷的印制試樣

直接外延生長技術(shù)是使用分子束外延（MBE）、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積 （MOCVD）或氣相外延（VPE）在IV 族襯底上生長III-V族化合物半導(dǎo)體材料的技術(shù)。晶圓鍵合技術(shù)提供了在單個晶圓上結(jié)合不同材料的自由，而轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)更進(jìn)一步，降低了這一過程的成本，使其適用于中到大批量的應(yīng)用。然而，能夠在硅上外延生長并實現(xiàn)III-V激光器的單片集成仍然是最終目標(biāo)。通過單片集成，可以充分利用硅光子學(xué)所承諾的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益。

03異質(zhì)集成的Si/Ⅲ-Ⅴ激光器的研究進(jìn)展及應(yīng)用

隨著硅光子學(xué)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域在逐漸豐富的同時，工作波長從傳統(tǒng)的電信波段擴(kuò)展到中紅外波段。

近紅外波段（750 nm-2 μm） 很多研究都集中在此波段，主要波長為850 nm、1.3 μm和1.55 μm。這些是光纖通信中使用的主要波段，這是半導(dǎo)體激光器和集成光學(xué)發(fā)展背后的關(guān)鍵驅(qū)動力之一。隨著技術(shù)的發(fā)展，主要應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸得到拓展，例如激光雷達(dá)、信息處理、光學(xué)原子鐘、精密測量、生物成像和光譜學(xué)等。

中紅外波段（2 μm-12 μm） 化學(xué)傳感是集成光子學(xué)在通信之外的新興和重要應(yīng)用之一。硅光子學(xué)對于2-12 μm波長范圍內(nèi)的氣體檢測與光學(xué)傳感是非常有意義的，因為許多重要的氣體（例如，CO2、CH4、CO、NO、N2O和NO2 等）在該波長范圍內(nèi)具有很強(qiáng)的吸收線，緊湊型光譜氣體傳感器可以通過在無源硅 PICs 上異質(zhì)集成 III-V 激光源和探測器來實現(xiàn)。

04結(jié)論與展望

我們回顧了最近展示的III-V 激光器在 Si 上常見的異質(zhì)集成方法，以及Si/Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體激光器集成的最近研究進(jìn)展，異質(zhì)集成激光器的性能在不斷突破，正在向多功能、多應(yīng)用領(lǐng)域方面發(fā)展。然而，在異質(zhì)集成方面仍然存在一些困難需要克服，與在其原生襯底上的III-V族器件相比，這些困難會導(dǎo)致一些退化。

對于直接鍵合方法，由于對超潔凈和極其光滑的表面有嚴(yán)格的要求，相關(guān)的復(fù)雜性仍然相當(dāng)大。對于膠粘劑鍵合方法，由于鍵合層引入高熱阻和下面的埋藏氧化物，散熱具有挑戰(zhàn)性，使高密度激光器件在硅芯片上集成存在一定的困難。盡管單片集成方法已經(jīng)實現(xiàn)了出色的性能，但實用的光源，如電泵浦、有源-無源耦合、晶圓級外延技術(shù)以及高產(chǎn)量和可靠性仍然需要付出巨大的努力。

總而言之，隨著高質(zhì)量III-V族材料的結(jié)合，新穎的Si光子設(shè)計和先進(jìn)的制造技術(shù)，加上研發(fā)的更多努力和新應(yīng)用領(lǐng)域的持續(xù)推動，異質(zhì)集成Si激光源可能會在不久的將來擴(kuò)展到更有趣的研究領(lǐng)域和商業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。

作者簡介

高旭，北京大學(xué)博士后，主要從事光子芯片異質(zhì)集成方向的研究。

常林，北京大學(xué)博雅青年學(xué)者、助理教授、博士生導(dǎo)師。主要從事光子芯片方向的研究。其開發(fā)的硅光與氮化硅、鈮酸鋰、三五族半導(dǎo)體的異質(zhì)集成技術(shù)，實現(xiàn)了光通信、激光雷達(dá)、光計算、光量子系統(tǒng)的芯片集成。主持科技部重點研發(fā)計劃、北京市科委項目、北京市基金委重點項目等，參與國家自然科學(xué)基金重大項目。獲得了“2023 IEEE Photonic Society Young Investigator Award”（全球每年1人）、“2022 Rising Star of Light” （全球每年3人）、“2023達(dá)摩院青橙獎“、”2023麻省理工科技評論35歲以下科技創(chuàng)新35人“、“2022年中國智能計算科技創(chuàng)新人物”等一系列獎項。相關(guān)工作被評為“2020年世界基礎(chǔ)領(lǐng)域十大進(jìn)展”、“2022 中國十大科技創(chuàng)新獎”、“2022中國光學(xué)十大進(jìn)展“、”2022中國芯片科技十大進(jìn)展“、“2022 中國光學(xué)領(lǐng)域十大社會影響力事件”等。其研發(fā)的硅光異質(zhì)集成技術(shù)已被多家企業(yè)產(chǎn)業(yè)化。

作為第一/通訊作者在Nature (3篇)、Science (1篇) 、Nature Photonics （4篇）等一系列知名期刊發(fā)表論文30余篇。受邀為Science撰寫鈮酸鋰光子學(xué)綜述，為Nature Photonics 撰寫了集成光頻梳技術(shù)的綜述。相關(guān)工作被美國物理學(xué)會、美國光學(xué)學(xué)會、光明日報多次頭版/封面報道。擔(dān)任Nature、Nature Photonics、 Nature Electronics 等期刊的特邀審稿人。

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審核編輯 黃宇