來源：中國激光雜志社

封面解讀
硅波導上光流轉，異質激光共此盤。微環(huán)諧振調頻穩(wěn)，光頻應用盡開端。文章鏈接：高旭, 常林. 異質集成Si/III-V族半導體激光器研究進展（特邀）[J]. 激光與光電子學進展, 2024, 61(19): 1913004.
01研究背景

近年來，隨著信息和通信技術的飛速發(fā)展，推動了對高性能光學器件的需求激增。其中，作為數(shù)據(jù)通信、傳感和成像等各種應用的支柱的光芯片引起了極大的關注。硅光子學正在成為一種極具競爭力的技術，以解決當前數(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）將半導體激光器、光調制器、放大器、多路復用器、波導、光電探測器等集成在單個硅芯片上。通過互補金屬氧化物半導體（CMOS）制造和封裝技術，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展性等優(yōu)勢。

硅已經被證明在傳輸、調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，科研人員進行了大量的研究工作，已經證明了幾種產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，經過十多年的深入研究，硅光子學不再局限于面向通信的技術，已經發(fā)展成為一個多功能的集成平臺，在傳感、光譜學、信號處理、量子科學、微波工程、成像和高性能計算等領域具有巨大潛力。在這篇綜述中，概述了最近幾年異質集成激光器的最新進展，包括集成方式、發(fā)展現(xiàn)狀及應用領域。

02集成方式

由于III-V族半導體材料具有直接帶隙和高光學增益，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光源異質異質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、微轉印和直接外延生長。

倒裝芯片集成技術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、在組裝前可進行芯片測試和特性化以及高產率。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直接安裝預制的III-V激光器。這種方法能夠預先選擇質量可靠的激光器，器件成品率更高。總之，倒裝芯片集成技術在電子和光電子領域均展示了其高效和可靠的優(yōu)勢，特別適合大規(guī)模集成和高頻應用。在光子集成電路中的應用進一步拓展了其潛力，使其成為一種重要的集成技術。

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/晶圓鍵合技術是通過物理或化學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或通過粘合劑中間層結合在一起。直接鍵合技術，是一種通過機械或電場作用，將兩塊鏡面拋光的半導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，這種粘附力遠弱于共價鍵，需通過后續(xù)高溫退火來增強。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。然后對粘合劑進行加熱或紫外線照射，使其從液態(tài)或粘彈性狀態(tài)轉變?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。

微轉印技術是將微米級薄膜組件從源基板轉移到目標基板上的方法。如上所述，經典的異質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計產生很大限制。這項技術能夠為在硅PICs上更低成本地集成III-V半導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，同時保持高產量和可擴展性。圖3展示了這一過程，所有四個紅/黃樣片都是平行轉移的（當然，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目標基板的III-V試樣轉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

直接外延生長技術是使用分子束外延（MBE）、金屬有機化學氣相沉積 （MOCVD）或氣相外延（VPE）在IV 族襯底上生長III-V族化合物半導體材料的技術。晶圓鍵合技術提供了在單個晶圓上結合不同材料的自由，而轉移印刷技術更進一步，降低了這一過程的成本，使其適用于中到大批量的應用。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。通過單片集成，可以充分利用硅光子學所承諾的規(guī)模經濟效益。

03異質集成的Si/Ⅲ-Ⅴ激光器的研究進展及應用

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

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，這是半導體激光器和集成光學發(fā)展背后的關鍵驅動力之一。隨著技術的發(fā)展，主要應用領域也逐漸得到拓展，例如激光雷達、信息處理、光學原子鐘、精密測量、生物成像和光譜學等。

中紅外波段（2 μm-12 μm） 化學傳感是集成光子學在通信之外的新興和重要應用之一。硅光子學對于2-12 μm波長范圍內的氣體檢測與光學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）在該波長范圍內具有很強的吸收線，緊湊型光譜氣體傳感器可以通過在無源硅 PICs 上異質集成 III-V 激光源和探測器來實現(xiàn)。

04結論與展望

我們回顧了最近展示的III-V 激光器在 Si 上常見的異質集成方法，以及Si/Ⅲ-Ⅴ族半導體激光器集成的最近研究進展，異質集成激光器的性能在不斷突破，正在向多功能、多應用領域方面發(fā)展。然而，在異質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格的要求，相關的復雜性仍然相當大。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、晶圓級外延技術以及高產量和可靠性仍然需要付出巨大的努力。

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

作者簡介

高旭，北京大學博士后，主要從事光子芯片異質集成方向的研究。

常林，北京大學博雅青年學者、助理教授、博士生導師。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、三五族半導體的異質集成技術，實現(xiàn)了光通信、激光雷達、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。相關工作被評為“2020年世界基礎領域十大進展”、“2022 中國十大科技創(chuàng)新獎”、“2022中國光學十大進展“、”2022中國芯片科技十大進展“、“2022 中國光學領域十大社會影響力事件”等。其研發(fā)的硅光異質集成技術已被多家企業(yè)產業(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撰寫鈮酸鋰光子學綜述，為Nature Photonics 撰寫了集成光頻梳技術的綜述。相關工作被美國物理學會、美國光學學會、光明日報多次頭版/封面報道。擔任Nature、Nature Photonics、 Nature Electronics 等期刊的特邀審稿人。

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審核編輯 黃宇