文 | 高旭、常林，北京大学电子学院先进集成光子芯片实验室
硅基集成光源
制约硅光技术发展的瓶颈
近年来，通信、AI智算等信息技术的飞速发展，使得对高性能光学器件的需求激增。其中，作为数据通信、传感和成像等各种应用支柱的光芯片引起了极大的关注。
硅光子学正在成为一种极具竞争力的技术，以解决当前数据中心和高性能计算系统中存在的通信带宽瓶颈问题。利用集成光路（PIC）将半导体激光器、光调制器、放大器、多路复用器、波导、光电探测器等集成在单个硅芯片上。通过互补金属氧化物半导体（CMOS）制造和封装技术，PIC具有超低成本、低功耗、大规模制造、大集成密度和高可扩展性等优势。
硅已经被证明在传输、调制和检测光方面具有出色的表现。然而，它又是间接带隙半导体材料，这使其发光效率低下，因此，片上光源一直是硅基PIC亟须解决的问题。为了获得出色性能的硅上光源，科研人员进行了大量的研究工作，已经提出了几种产生片上光源的有效方法，包括使用硅纳米晶体、稀土掺杂、 锗及其合金，以及硅集成的III-V族光源等。
其中，基于硅平台的高质量III-V族半导体激光器在实现低成本、高密度集成的硅光子学片上光源方面显示出巨大潜力和广阔的商业前景。
四类片上光源主流集成方式
由于III-V族半导体材料具有直接带隙和高光学增益，将III-V激光器集成到硅上是非常有吸引力的。在硅基板上实现III-V光源异质集成的方法主要可以分为以下4种类型：倒装芯片集成、芯片/晶圆键合、微转印和直接外延生长。
01
倒装芯片集成技术
倒装芯片集成技术是一种利用焊点实现芯片与承载晶圆或封装基板粘合和电连接的方法。该技术最早用于电路的集成，并在集成电路革命中逐渐成熟。然而，近年来，这一集成方法在PIC中也得到了广泛关注。
在倒装芯片集成过程中，芯片表面的焊点被翻转，使其面朝下与载体基板接触。此方法需要在芯片和基板表面形成金属电极垫，这些电极垫的图案相互匹配或在顶视图中呈镜像。然后，通过焊点或其他金属凸点将这些电极连接在一起。焊点材料在电极之间熔化，形成稳固的电连接，如图1所示。
图1（a）倒装芯片组装的示意图；（b）在各种基板上的倒装芯片组装
倒装芯片集成方法的优点包括成熟的工艺、良好的热管理、小接触面积、高产率，以及在组装前可进行芯片测试和特性化。此外，电接触具有低寄生电感和短互连长度，适用于数十GHz或更高频的信号传输。
成熟的倒装芯片集成工艺使该方法在集成光路中同样具有吸引力。此外，倒装芯片集成还可以用于波导间的对接耦合，通过焊点对准光子倒装芯片组装实现精确对准。
目前，业界倾向于采用倒装芯片或贴片技术直接安装预制的III-V激光器。这种方法能够预先选择质量可靠的激光器，器件成品率更高。倒装芯片集成技术在电子和光电子领域均展示了其高效和可靠的优势，特别适合大规模集成和高频应用，在集成光路中的应用进一步拓展了其潜力，使其成为一种重要的集成技术。
02
芯片/晶圆键合技术
直接键合技术是通过物理或化学相互作用连接两个或多个衬底或晶圆的过程。不同的晶圆表面通过原子相互反应或通过粘合剂中间层结合在一起。
直接键合技术最早由Lasky在1986年提出，是一种通过机械或电场作用，将两块镜面抛光的半导体晶圆表面直接连接的方法，无需任何中间层。两表面通过范德华力或氢键紧密接触。然而，这种粘附力远弱于共价键，需通过后续高温退火来增强。退火温度通常在800℃以上，通过等离子激活或其他特殊晶圆表面处理可降低退火温度。图2（a）展示了SiO2直接键合过程。
优化后的直接键合工艺使得III-V/硅集成激光器得以实现，包括微盘激光器、法布里-珀罗（FP）激光器、分布反馈（DFB）激光器和多种可调激光器，非常有利于大规模的集成光路制备，是未来异质集成技术发展的关键技术路线。然而，直接键合对接触表面的要求非常高，通常需要在键合前使用半导体行业标准的湿法清洗工艺进行清洁，工艺难度较大。
除了这种直接键合方法外，晶圆键合还可以通过胶粘剂材料作为键合夹层来实现。在各种粘接材料中，二乙烯基硅氧烷-双苯并环丁烯（DVS-BCB或BCB）因其粘接强度高、固化后变形收缩小和后续III-V工艺的可持续性等优点。DVS-BCB胶粘剂的键合过程如图 2（b）所示。
图2 （a）直接（O2等离子体辅助/SiO2共价）晶圆键合和（b）中间层晶圆键合（DVS-BCB）的工艺流程示意图
03
微转印技术
基于芯片到晶圆或晶圆到晶圆的键合来集成III-V材料有着规模化量产的巨大优势。然而，这种方法对于III-V材料的利用效率受限，同时工艺门槛较高。
2004年微转印技术被提出，为在硅PIC上更加灵活地集成III-V半导体材料或器件提供支持。
在转移印刷技术中，一种薄膜材料堆叠或器件（以下简称样片）从源基板转移到目标基板，使用的是一种柔软的弹性聚二甲基硅氧烷（PDMS）印章。印章对弹性体的粘附力取决于印章的速度。通过快速上移印章（从而施加比样片对源基板粘附力更大的力），可以将样片从原始基板上取下，并通过缓慢释放印章将样片打印到PIC上。虽然与倒装芯片集成类似，但转移印刷的主要优点是样片可以多个器件平行转移。通过使用多个源晶圆，可以直接集成多个III-V堆叠。
转移印刷技术与贴片技术的不同之处在于，样片非常薄、是自由悬浮且无基板的，这可能会带来一些挑战。
基于PDMS的转移打印是一种高度通用的技术，可用于在刚性和柔性基板上将光子器件与其他组件和电路进行异质集成。该技术可以大大降低与光子元件相关的成本，特别是由于通过协集成简化了封装，使用灵活或生物相容性平台将为光子学带来广泛的新机会。该技术正处于发展的早期阶段，从电路的实现到建立成熟的代工兼容工艺，以及相关的设计规则和布局验证，可以期待更多进步。
04
直接外延生长技术
晶圆键合技术提供了在单个晶圆上结合不同材料的自由，而转移印刷技术则更进一步降低了这一过程的成本，使其适用于中到大批量的应用。然而，能够在硅上外延生长并实现III-V激光器的单片集成仍然是最终目标。通过单片集成，可以充分利用硅光子学的规模经济效益。
直接外延生长技术是使用分子束外延（MBE）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）或气相外延（VPE）在IV族衬底上生长III-V族化合物半导体材料的技术。
由于III-V族材料和IV族材料之间的物理性能差异，单片集成的主要挑战是反相域（APD）、位错和热裂纹。为了减小这些问题的影响，科学家们开发了多种外延生长方法，如利用高性能InAs/GaAs量子点激光器，使用MBE在Si上生长III-V材料；单片集成在Si上的低噪声量子点激光器；通过MOCVD直接外延生长到硅膜厚度为220 nm的标准SOI晶片上的无缓冲1.5 μm III-V激光器等。
尽管近年来有很多关于III-V在Si 衬底上直接生长的研究工作，然而，由于不可避免的缓冲层和失配区域产生的额外光损耗，难以实现III-V族和硅区域之间的高效光耦合。随着对异质材料集成的需求不断增长，人们已经开发了各种技术，包括外延剥离（ELO）、机械剥离、激光剥离和二维材料辅助层转移等，如图3所示。
图3 光子器件中错配材料的异构外延集成概述
异质集成的Si/III-V激光器的发展历程和典型应用
随着硅光子学的不断发展，其应用领域在逐渐丰富的同时，工作波长从传统的电信波段扩展到中红外波段。中心发射波长跨越近红外到中红波段，表1总结了各波段的一些典型应用。
表1 不同波段片上光源的潜在应用
01
近红外波段（750 nm~2 μm）
异质集成在制造精度、集成密度、产量和效率方面都有根本性的提高，经过十多年的发展，已迅速成为最受欢迎的片上源集成解决方案之一。很多研究都集中在此波段，主要波长为850 nm、1.3 μm和1.55 μm。这些是光纤通信中使用的主要波段，这是半导体激光器和集成光学发展背后的关键驱动力之一。表2总结了最近在倒装芯片集成、键合和转移印刷集成方面的工作。
表2 通过倒装芯片集成、键合和转移打印的 Si/III-V 激光器总结
2022年，采用微转印技术制造的III-V/Si可调谐激光器被提出，实现了40 nm的调谐范围和100 mA的阈值电流。这种方法允许在先进的硅光学平台上实现复杂的PIC。
2022年，基于晶圆键合工艺，首款覆盖可见光波段的异质集成激光器被实现。
2023年，一种基于硅光子学的广泛可调谐激光器在300 mm III-V/Si 集成平台上具有集成SOA。激光器的调谐范围>50 nm，侧模抑制比>55 dB，洛伦兹线宽<30 kHz，相对强度噪声（RIN）<−150 dB/Hz。
2023年，一种硅基异构集成激光器在1350~1408 nm的58 nm波长调谐范围内表现出低于20 kHz的洛伦兹线宽，通过集成的基于Si环谐振器的游标镜实现宽波长调谐，这也显著减小了洛伦兹线宽。如此高的性能利用了成熟的异构III-V/Si平台，标志着E波段光纤通信以及通过二次谐波产生达到可见光波长用于光学原子钟的一个重要里程碑。
02
中红外波段（2~12 μm）
化学传感是集成光子学在通信之外的新兴和重要应用之一。硅光子学对于2~12 μm波长范围内的气体检测与光学传感是非常有意义的，因为许多重要的气体（如CO2、CH4、CO、NO、N2O和NO2等）在该波长范围内具有很强的吸收线，紧凑型光谱气体传感器可以通过在无源硅PIC上异质集成III-V激光源和探测器来实现。表 3总结了目前中红外波段异质集成的一些重要工作。
表3 中红外波段异质集成激光器的总结
对于该波段的激光光源，基于InP的I型和II型激光二极管可以发射的波长达3.5 μm。当这些类型的光源集成到标准的SOI波导上时，其性能与电信对等光源相似。对于3~6 μm之间的波长，在GaSb基板上生长的II型主动量子阱的带间级联激光器（ICL）的阈值电流和功率 密度仅比优化的近红外发射的常规二极管稍高。此外，对于4 μm以上的波长，尽管需要更高的驱动电流才能达到阈值，但量子级联激光器（QCL）可以发射比ICL更高的功率。
2018年，Bowers 团队提出了首个在硅基底上集成的ICL。这些异质集成的器件具有6~11 μm的脊宽，在波长约3.65 μm处发射，在脉冲模式下可在最高50 ℃的温度下运行。
2016年，Bowers 团队与海军实验室和威斯康辛大学麦迪逊分校合作实现了4.8 μm波段的 QCL在硅波导上的异质键合集成。由于SOI中的二氧化硅对于中红外波段有强烈的吸收，因此该团队将QCL键合到绝缘体上氮化硅上硅（SONOI）晶圆上，来实现低损耗的集成。该异质集成的激光器只能在脉冲模式下激射，室温阈值电流密度约为1.7 kA/cm2，最大峰值输出功率为 31 mW，特征温度为125 K。该团队随后又将DFB QCL与SONOI波导异构集成。这些激光器在室温下可发射超过200 mW的脉冲功率，工作温度高达100 ℃。
2019年，Bowers团队通过将QCL外延层键合到具有阵列波导光栅（AWG）多路复用器的SOI 波导上，演示了发射波长为4.7 μm的DFB和DBR QCL阵列与同一芯片上的AWG的耦合。他们利用AWG作为合波元件实现了多波长单模激光的单波导输出，图4显示了器件结构。
图4 （a）QCL阵列和AWG的俯视图示意图；（b）多光谱DFB激光器的显微照片
总结与展望
异质集成激光器的性能在不断突破，正在向多功能、多应用领域、多材料平台方面发展。然而，在异质集成方面仍然存在一些困难需要克服，与在其原生衬底上的III-V族器件相比，这些困难会导致一些退化。对于直接键合方法，由于需要超洁净且极其光滑的表面，相关的复杂性仍然相当大。对于胶粘剂键合方法，由于键合层引入高热阻和下面的埋藏氧化物，散热具有挑战性，使高密度激光器件在硅芯片上集成存在一定的困难。尽管单片集成方法已经实现了出色的性能，但实用的光源，如电泵浦、有源-无源耦合、晶圆级外延技术，以及高产量和可靠性仍然需要付出巨大的努力。
总而言之，随着高质量III-V族材料的结合，新颖的Si光子设计和先进的制造技术，加上研发的更多努力和新应用领域的持续推动，异质集成Si激光源可能会在不久的将来扩展到更有趣的研究领域并实现商业化大规模生产。
本文改写自《激光与光电子学进展》上“异质集成Si/III-V族半导体激光器研究进展”一文，已获作者授权。点击文末“阅读原文”查看原论文
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