本文作者团队;Claire Besancon,* Nicolas Vaissiere, Cécilia Dupré, Frank Fournel, Loic Sanchez,Christophe Jany, Sylvain David, Franck Bassani, Thierry Baron, and Jean Decobert
作者单位;III-V Lab, a joint lab of Nokia Bell Labs，Thales Research and Technology and CEA LETI
通过晶片键合技术将 III-V 材料混合集成到硅上是将先进光子集成器件开发到硅光子平台 (SPP) 中的成熟且有前途的方法之一。在键合到氧化硅晶片上的 InP 薄种子层上外延再生长 III-V 材料已显示出将 III-V 成熟的多重再生长技术扩展到 SPP 的潜力。在该方法中，在 4 英寸 InP 晶片上生长的外延 InP 层直接键合到 SiO2/Si 200 毫米晶片上。在去除 InP 衬底后，对新模板 (InPoSi) 进行外延再生长评估：在 InPoSi 衬底上和 InP 衬底上同时通过金属有机气相外延 (MOVPE) 生长一个由两个 InP 包层包围的八周期应变补偿 AlGaInAs 多量子阱 (MQW) 异质结构作为参考。首次对 InPoSi 进行原位反射率和曲率测量，从而能够评估 III-V 材料在生长过程中的表面粗糙度和热应变。X 射线衍射、光致发光、原子力显微镜和透射电子显微镜证明材料质量很高。
划重点
从目前我们看到的
单材料波导平台：sicoi,lnoi,ltoi,InGaPOI,inpoi,GAASOI,TI-SAPPHIREOI（nature）
异质集成平台：sin/soi-lt/ln
三五和无源波导集成平台：inp/gaas-soi/sin/si
晶体和无源波导集成平台;Ce-Yig-OI--nature文章
上述三种平台无疑都用到了先进的键合设备，表面活化键合（键合气泡少，可用面积多）和D2W键合，同时上述两种设备技术较为先进，采购价格较贵（几百到上千万），国内很多平台，单位，学校都还没有，因此我们可以看到，欧洲和美国在光子学异质集成光子学领域创新层出不穷，同时也出现了很多基于异质集成光子学技术的初创企业，国内也有一部分异质集成光子学企业，但大多也为国外归国人才创建。
为了解决这个问题，(表面活化键合和D2W芯片对晶圆键合，尤其适用无源波导上异质集成三五族激光器)
小编为大家提供多材料（InAlAs,Inp,InGaAs,inp,gaas,铌酸锂，晶体，碳化硅，磷化铟，砷化镓，钽酸锂，碳化硅，氮化镓，砷化镓，氮化硅，等等等等）和多材料键合加工，离子注入，抛光煎薄的全流程 全产线，自主可控复合衬底加工，您收到我们的衬底后，可以基于自己单位的平台进行后道的刻蚀工艺的开发。
同时可以提供两类工艺
键合可以亲水键合+退火或者室温表面活化键合+改性层或者D2W芯片和晶圆键合
薄膜层的获取可以通过smartcut离子注入（厚度控制精准，膜层有损伤）+退火cmp或者机械减薄+cmp（厚度控制不精准，但是膜层没损伤）
三五外延衬底层的去除可以使用湿法工艺去除，基于此平台，您可以做
多材料间的异质集成创新，
如果想要了解更多可以联系小编
1. 简介
数据中心流量的爆炸式增长对当前基于 InP 的光子集成电路 (PIC) 的制造提出了挑战。
硅上的 III-V 集成将实现低成本大规模制造 PIC。在 300 毫米 Si 晶片上直接生长 III-V 材料是降低成本最有希望的方法。然而，III-V 和 Si 在晶格失配（InP 为 8%，GaAs 为 4%）和热膨胀系数方面的差异是难以克服的难题。[1,2] 过去几年，已经开发出许多策略来提高再生材料的晶体质量，从而实现令人信服的激光演示。[3,4] 相反，使用键合工艺的混合硅技术能够将 III-V 材料集成到绝缘体上硅 (SOI) 晶片上，并具有最佳的 III-V 材料质量。
在混合方法[5]中，III-V 族材料堆栈在 InP 晶圆上生长，这是在直接键合到 SOI 晶圆上之前通过独特的外延步骤进行的。键合后无需执行额外的外延再生长步骤。这对扩展所有 III-V 族成熟技术是一个巨大的限制。在所谓的“基于 InP 的埋层异质结构激光器”[6] 中，几个外延步骤相互衔接，例如对接再生长 (BJR)、横向再生长和包层再生长。选择性区域生长 (SAG)[7] 也是一种合适的技术，可以生长多个带隙材料，从而从单个外延中集成不同的组件（激光器、调制器、光电探测器等）。从这个角度来看，硅光子学平台 (SPP) 将从这些额外的再生长步骤中受益匪浅，这些步骤是在第一个键合到硅上的 III-V 级上进行的。转移再生长将技术引入混合硅平台对于改进单个器件具有实际意义。
2003 年，首次通过金属有机气相外延 (MOVPE) 演示了 III-V 活性材料在与 Si 键合的 InP 上的再生长。[8] 在此之前，已经实现了更复杂的活性结构（如 AlGaInAs[9] 或 GaInAsP[10] 多量子阱 (MQW)）的外延生长。最近，基于横向注入收集方案的新型硅光子器件表现出了令人印象深刻的器件特性。[11,12]
事实上，由于热膨胀的差异，InPoSi 堆栈中产生的热应变极大地促进了“膜埋异质结构激光器”技术的发展，其中薄 MQW 堆栈被横向埋置以形成 p-i-n 横向结，而不是厚的垂直 p-i-n 结。这种方法通过将再生材料的总厚度降低到通常的 300-400 nm 来限制热应变的影响。[12,13]横向 p–i–n 结通常通过两个主要步骤实现：键合 III–V 有源层，然后选择性地再生长 InP 掺杂层[11]，或者在键合工艺后再生长未掺杂的 InP 层并结合 Zn 扩散和 Hþ 注入。[12,14]
总之，在与 Si 键合的 InP 种子上外延再生长 III–V 材料已成为一种有吸引力且令人信服的方法。MQW 有源结构在光学上对任何类型的晶体缺陷都极为敏感，因此是鉴定材料质量的相关见证结构。其他研究小组已经利用原子力显微镜 (AFM)、X 射线衍射和光致发光 (PL) 证明了基于 MQW 的结构具有优异的材料特性。[15] 在本研究中，我们报告了在 InP (100 nm)–SiO2 (200 nm)/Si (InPoSi) 4 英寸衬底上外延生长基于 AlGaInAs 的 MQW 有源结构，并以在 InP 衬底上生长的相同结构作为参考。首次在 InPoSi 上展示了生长过程中的原位测量（反射率和曲率）。后者能够实时表征表面粗糙度并测量由 InP 和 Si 之间的热膨胀系数 (CTE) 差异引起的热应变。通过 AFM、扫描透射电子显微镜 (STEM)、透射电子显微镜 (TEM)、高分辨率 X 射线衍射 (HRXRD) 和 PL，广泛用于 InPoSi 和参考样品的原位表征比较。这些技术证明了在 4 英寸 InPoSi 晶圆上再生异质结构的高材料质量和均匀性。
2. 制造工艺
图 1 显示了在 InP-SiO2/Si
图 1. 制造工艺描述：a) 通过 MOVPE 生长 InP 层到由 InGaAs 牺牲层隔开的 InP 衬底上；b) 将 III-V 堆栈直接键合到 SiO2/Si 衬底上；c) 在 300 C 下进行 2 小时的热退火；d) 选择性蚀刻 InP 衬底和InGaAs 停止蚀刻；e) 通过 MOVPE 再生长八个周期的 AlGaInAs 基 MQW，周围是两个 InP 层（总共 405 nm）。
图 2. 整个 III-V 结构与硅键合的图片：a) 键合后；b) InP 衬底移除后。
（InPoSi）种子上再生长的制造工艺。首先，在 4 英寸 InP 衬底上生长 300 nm 厚的 InGaAs 牺牲层，然后生长 100 nm 厚的种子 InP 层。然后将该结构键合到 200 毫米硅晶片上，在键合之前，硅晶片上会形成 200 nm 厚的热二氧化硅层。该键合工艺在 CEA-LETI 的 200 毫米生产线上完成。[16] 在我们的方法中，氧化 Si 衬底是一种相关的测试结构，用于模拟外延生长条件下 SOI 衬底的键合界面行为。在键合界面使用薄 SiO2 层可以通过相对较小尺寸（通常为 300 700 nm2）的埋入式 Si 波导从 SOI 衬底获得高耦合容量。因此，这种键合配置与我们平台中通常使用的 SOI 电路上紧凑 III-V 的制作兼容。[17,18] 该结构在室温下键合，然后加热至 300 摄氏度并持续 2 小时，遵循 Fournel 等人研究中描述的传统亲水直接键合方法。[19] 然后选择性蚀刻 InP 衬底和 InGaAs 蚀刻停止层。
图 2 显示了衬底去除前后的键合结构照片，说明了该工艺的高键合产量和可扩展性。然后将晶圆尺寸调整为 4 英寸，以适应我们的 MOVPE 系统的标准晶圆尺寸。最后，在 InPoSi 和 InP 衬底上同时通过 MOVPE 生长出一个被两个 120 纳米厚的限制 InP 层包围的 MQW 异质结构。再生长材料的总厚度为 405 纳米。MQW 结构由8 周期压缩应变阱（室温下 0.9%）和拉伸应变屏障（室温下 0.7%）组成，两者均来自 AlGaInAs 材料系列。该结构在 CCS Aixtron 反应器中在 150 mbar 和 610 C 下生长。
生长前体是氢气 (H2) 流下的三甲基铟 (TMIn)、三甲基铝 (TMAl)、三甲基镓 (TMGa)、磷化氢 (PH3)和砷化氢 (AsH3)。
3. 特性
3.1. 原位测量
MOVPE 系统配备 Laytec EpiCurve TT
传感器，可测量 1) 三种不同波长（405、633 和 950 nm）的反射信号和 2) 曲率信号，这些信号对生长过程中应变演变相关的晶圆弯曲很敏感。在这项工作中，首次研究了 InPoSi 基板上的原位反射和应变测量。
精确的原位光学测量特别适用于确定生长材料的质量并量化与热失配相关的应变演变。
3.1.1. 热应变评估
在生长温度下对 InPoSi 样品进行退火时，InP 层的晶格会随着 Si 衬底的 CTE 而膨胀。
因此，在生长温度下，由于 Si 的 CTE 低于 InP，因此会产生压缩热应变。文献中已经研究过这种热应变。[8,12,20]
然而，后者通常通过计算或 PL 偏移间接测量来评估。到目前为止，还没有在生长温度下直接测量实时曲率。
图 3. 在生长过程中对 InPoSi（蓝色）和参考（红色）进行的原位曲率测量。
在我们的方法中，相对曲率 Δ 1R 是在 InP 参考和 InPoSi 上生长期间测量的（图 3）。阱和屏障的成分和厚度经过优化，以使 MQW 异质结构在生长温度下得到应变补偿并与 InP 衬底晶格匹配。因此，在参考上，曲率信号的 MQW 部分是平坦的，并与 InP 缓冲层和 InP 覆盖层对齐。因此，测量的相对曲率等于零。然而，对于 InPoSi 样品，在生长结束和开始之间测量的相对曲率等于 2 km 1，这可以归因于 CTE 差异引起的压缩热应变。使用 Stoney 方程 (1)，可以评估 InPoSi 中引起的应力 σfilm。为了简化计算，我们考虑在 Si 衬底（厚度为 ¼ hsub 525 μm）上生长 InP 膜（厚度 ¼ hfilm 405 nm）。对于薄膜和基底，杨氏模量 Efilm 和 Esub 分别为 61 和 127 GPa，泊松系数 νfilm 和 νsub 在室温下分别为 0.36 和 0.22。利用弹性变形方程（公式 (2)），可以根据薄膜应力 σfilm 计算应变 εfilm。在生长温度下，评估的应变 εfilm 为 390 ppm。
与此应变相关的临界厚度可以通过机械平衡模型[21]和能量平衡模型[22]计算得出。计算出的临界厚度分别为 450 和 950 nm。因此，除非 III-V 堆栈（再生长材料和键合层）厚度超过临界厚度（介于 450 和 950 nm 之间），否则不会出现位错。在我们的例子中，包括键合层在内的 III-V 堆栈厚度为 505 nm，更接近临界厚度的下限。
3.1.2. 反射率测量
图 4. 在生长过程中对 InPoSi（蓝色）和参考（红色）进行的原位测量：a) 405 nm 处的反射信号和b) 950 nm 处的反射信号。
图 4a 显示了两个样品在 405 nm 处的反射率信号，该信号对粗糙度高度敏感。如果表面在生长过程中变得粗糙，则由于倾斜面处的散射或反射，反射强度会降低。在我们的案例中，反射强度保持不变，两个信号之间的完美一致性表明 InPoSi 样品的表面与 InP 参考样品一样光滑。结合和比较不同的波长可以提取更多信息。图 4b 显示了 950 nm 处的反射信号。平均反射率受基板/层界面引起的法布里-珀罗 (FP) 振荡调制。特别是，在 InP 缓冲层生长期间观察到的 InPoSi 高振幅振荡是由于 InP 和 SiO2 之间的高折射率对比度产生的干扰增强了反射信号。通过拟合 FP 振荡可以得出 InP 生长速率 (GR)。后者在 InPoSi 和参考上均为 2.1 μm h 1。总之，这两个波长的反射信号并不表明 InPoSi 上再生材料有任何降解。
3.2. 非原位表征
使用 AFM 分析了 InPoSi 上的再生结构。表面的平均表面粗糙度为 0.2 nm（图 5），这与 InP 衬底上再生结构的表面粗糙度相同。
可见的原子台阶是高晶体质量的标志。
图 6. 在 InPoSi 上完成的横截面图像：a) STEM 和 b) TEM横截面图像。
图 6a、b 中的横截面 STEM 和 TEM 图像显示MQW 异质结构的平面再生具有尖锐的界面。在再生界面处未观察到位错。图 7a 中显示的 HRXRD 曲线是使用布鲁克的 D8Discover 衍射仪完成的，该衍射仪配备了微焦点 X 射线源 (IμS)，可在样品上产生亚毫米大小的光斑。这些曲线代表了在完整晶圆表面上进行的一系列测量，由尖锐而强烈的卫星峰组成，这些卫星峰是典型应变补偿 MQW 异质结构高材料质量的特征。PL 测量是使用 Horiba Labram HR Evolution 设备进行的，该设备具有 1064 nm 的激光激发和 InGaAs 探测器。单个 PL 信号如图 7b 所示。在 InPoSi 上测得的峰值为 1510 nm 的 PL 信号远高于在 InP 上测得的 PL 信号（在我们的例子中强度高出七倍），正如其他研究小组已经观察到的那样。[12] 强度较高是由于该堆栈内的谐振腔引起的激发和收集增加，主要是在 InP/SiO2/Si 界面处。因此，峰值强度不仅对晶体质量敏感，而且对谐振腔效率也敏感。在 100 100 μm2 区域上研究了 PL 信号的均匀性。具体来说，图 8a、b 显示了波长发射峰强度和半峰全宽 (FWHM)。后者显示了该区域内高晶体质量的均匀性。
图 7. 对 InPoSi（蓝色）和参考（红色）进行的特性分析：a) HRXRD 曲线和 b) 室温下的 PL 信号。
图 8. 在 100 100 μm2 表面上生长后，对 InPoSi 进行的高分辨率 PL 信号映射：a) 最大强度和 b) 半峰全宽。
总而言之，这些结果显示了在 InPoSi 模板上生长的 III-V 结构具有出色的材料质量。如前所述，这种方法的主要目标是将 III-V “经典”加工和再生长技术及其对晶体质量和光学特性的要求从 III-V 平台转移到 SPP。我们的方法表明，从在 SPP 中制造先进光子集成器件的角度来看，这种 InPoSi 外延技术满足材料质量和光学特性。
4. 结论
介绍了 4 英寸 InPoSi 基板的制造工艺。将 4 英寸 III-V 堆栈键合到 200 毫米 Si 晶片上显示了该技术使用 200 毫米 Si 或 SOI 晶片的可扩展性。尤其是，在键合界面处使用薄二氧化硅层（200 nm）与通过相对较小尺寸的 Si 波导实现的高光耦合容量兼容，可用于制作紧凑的 III-V-on-Si 电路。深入研究了由 MQW 有源结构和两个 InP 层包围的 405 nm 厚 III-V 异质结构的外延生长。首次对 InPoSi 上生长材料的表面粗糙度和热应变进行了实时表征。MQW 异质结构在生长温度下经过应变补偿并与 InP 晶格匹配。因此，从实时曲率测量中评估了由于 CTE 差异而导致的 390 ppm 压缩热应变。与此热应变相关的评估临界厚度在 450 到 950 nm 之间。对在 InPoSi 和 InP 上再生的结构进行的特性比较表明，在 InPoSi 上生长的结构在晶体质量方面没有任何损失。报道了在直接键合的 4 英寸 InPoSi 晶圆上外延生长高质量 MQW 基有源结构。总之，这些结果证明了在 InPoSi 衬底上再生 III-V 异质结构中获得的优异的材料质量，证明了这种新颖且多功能的外延技术适用于开发 Si 上混合 III-V 光电器件。
