在许多应用场景中，硅 (Si) 光子学倾向于将 III-V 增益材料集成到 Si 衬底上以实现片上光源。除了目前流行的 III-V-on-Si 晶圆键合或直接异质外延生长集成方法外，一种新出现的有前途的键合衬底外延再生长解决方案引起了广泛的兴趣。高质量的 III-V 材料实现和成功的激光演示表明，它有巨大潜力成为低成本、高集成密度和高度可扩展的 Si 主动-被动光子集成的有前途的集成平台。本文回顾了最近在键合模板平台上再生长的研究工作，包括模板开发、再生长材料特性和激光演示。讨论了这种方法的潜在优势、机遇和挑战。
简介
随着全球数据流量呈指数级增长，电气互连在满足下一代数据中心、高性能计算机和许多新兴应用对高速、节能和经济高效的数据传输的巨大需求方面遇到了瓶颈。通过利用成熟的互补金属氧化物半导体 (CMOS) 制造工艺，硅 (Si) 光子学在过去 20 年中经历了蓬勃发展。现在，它有望通过提供快速、可靠和低成本的光学链路来克服数据传输瓶颈问题。然而，由于 Si 材料直接带隙的固有性质，Si 上的激光源是 Si 光子学的关键挑战。通过设计 IV 族材料或其合金的方法，可以在 Si1-3 上产生 Ge 和 Ge 合金 (GeSi 和 GeSn) 激光器，但激光性能仍然远远落后于实际应用的要求。将III-V族材料或器件集成到Si衬底上的多种方法已得到广泛发展。将成品III-V族激光器芯片用倒装芯片4技术直接组装到Si光子芯片上的混合集成是目前主流的商业解决方案。这种方法具有III-V族和Si独立优化和鉴定、发光效率高的优点。但它需要精密组装来将两者之间的光耦合，这导致封装成本高，不适合低成本大规模制造和密集集成。一种更受欢迎的方法，即异质集成，是通过晶圆键合将III-V族光增益材料转移到图案化的绝缘体上硅（SOI）晶圆上，然后用CMOS兼容制造5对大规模晶圆进行加工。这种方法允许从III-V族活性介质到Si光子电路的低损耗衰减光耦合，从而降低封装成本。它还具有将不同的外延材料键合到单个 Si 衬底6 上并能够实现密集集成的优势。第三类是在 Si 或 SOI 衬底上直接外延生长 III-V 层以实现单片集成。这一类主要有两种方法。一种方法是在预先图案化7,8 或氧化物空心模板辅助9-11 硅衬底上选择性区域生长相对小体积的 III-V 材料。已经实现了优异的外延材料，并且已经成功展示了具有良好性能的室温分布反馈 (DFB) 激光器7、梳状激光器8 或微腔激光器。然而，仍然需要大量的研发才能实现电泵浦激光器和选择性生长方法的可靠性。另一种方法是通过使用中间缓冲层在整个晶圆上进行平面生长，以最大限度地减少位错传播到有源区。由于它有可能成为极高密度集成的最终解决方案，因此它重新引起了人们的极大兴趣12-17。由于新开发的新型衬底图案、中间缓冲层以及使用缺陷容忍有源区（例如量子点 (QD)），取得了重大进展，展示了具有高效率13、低阈值14、直接调制16和良好寿命18的激光器。然而，目前与这种方法相关的其他几个关键问题包括：与块体 Si 衬底相比，SOI 衬底上的异质外延可能面临更多挑战；由于不可避免的几微米厚的缓冲层，难以实现从 III/V 有源区到 Si 波导的有效光耦合；以及光在密集位错区中传播时产生的额外光学损耗。第四种方法是转移印刷，即使用软弹性 PDMS 印章将 III-V 增益材料或器件转移到 Si 光子芯片上。虽然宽带发射 LED 和高速光电探测器的概念验证表明，它具有成为具有成本效益的 Si 上 III-V 集成技术的巨大潜力，但仍需要进行大量研究以解决包括转移良率、大面积转移印刷的键合质量下降和对准问题等挑战。此外，在其 50 或 75 毫米原生基板上部分或全部制造 III-V 组件的高成本仍然是不可避免的。
离子方法结合了直接单片外延和晶圆键合方法的优点，引起了越来越多的研究兴趣。通过使用晶圆键合将基于 InP 的活性材料带到 Si 衬底上，然后在键合的 III-V 材料上外延生长 InP 以掩埋预定义的台面，来自 NTT 的研究人员开发了一种用于横向电流注入异质结构膜激光器的横向 p-i-n19。高性能激光器的演示令人印象深刻，表明该方案在 Si20-23 上的紧凑高效激光器方面具有巨大潜力。然而，它需要一个相对复杂和非常规的工艺来制造 p 和 n 掺杂区，并通过额外的再生长步骤形成横向 p-i-n 二极管结构。这种独特的工艺在大多数商业外延生长器中并不容易获得。巧合的是，其他几个研究小组也报告了在硅基 III-V 族材料上外延再生长 III-V 族材料的先进异质集成技术，而这些研究小组主要关注硅基传统垂直 p-i-n 型二极管激光器。上智大学的一个研究小组利用这种组合方法在硅基上演示了双异质结构 (DH) 激光器 23-25 和多量子阱 (MQW) 激光器 26,27。我们对再生长材料的质量进行了广泛的研究，并在 SOI 基片上演示了法布里珀罗 (FP) 激光器，光很容易耦合到硅波导 28-30。III-V 实验室的研究人员也报告了他们在 InP-SiO2/Si 键合基片上使用外延生长技术的结果 31,32。这些利用这种先进异质集成方法在硅基上演示激光器的概念验证展示了其巨大的潜力。本文回顾了上述关于这种先进异质集成平台的研究工作，特别是通过厚 III-V 外延生长形成传统垂直 p-i-n 二极管激光器结构。本文最后讨论了这一新兴领域的前景。本文的结构如下。首先，介绍了用于外延再生长的 III-V-on-Si 键合模板的发展。接下来，提供了外延再生长和材料特性。此外，还详细介绍了激光器的性能特性。最后，对这种先进的异质集成方法进行了讨论和总结。
本文作者；Hu YT, Liang D, Beausoleil RG
来自;Hewlett Packard Labs
本文是一篇很有价值的文章 ，片上激光器有好几种方式可以做，小编能力有限不去证明哪一种好，本文更多1的是关于 采用键合然后长外延的方式制造片上激光器的这一套 键合 -外延-器件制备工艺的 流程
主要讲了两个事情 工艺流程硅基光电子器件键合＋外延工艺的制备和这种工艺的应用
1--工艺流程
红色线部分---在soi或者硅片上键合inp衬底然后离子注入和退火抛光
a.磷化铟片的准备，本文由于采用的smartcut工艺，所以需要先离子注入
b.SOI晶圆的准备
c.键合
d.退火和抛光，用于去除inp的衬底，然后再抛光，获取表面平整光滑的磷化铟的薄膜，
针对上述工艺，小编可以提供a-e的加工
小编提供 inp-si/soi衬底 ，采用表面活化键合技术 无气泡
小编提供inp-减薄抛光，对inp无损伤
绿色线部分--在inp薄膜上外延
小编提供in al as ga p的外延生长服务
灰色线部分--在长好的外延上面做器件
2--该工艺的应用
--具有 Si 波导面的 III-V-on-SOI FP 激光器
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
III-V 族硅基键合模板的开发
用于再生长的 III-V 族硅基键合模板的开发基本上是 III-V 族硅基键合工艺。
图 1 | 利用 III-V-on-Si 键合模板上的再生长进行先进异质集成的工艺流程示意图。
由于 III-V 族材料的外延温度通常高达 650°C，因此只有直接晶圆键合技术才适合这种再生长模板制备，而粘合剂键合（例如 DVS-BCB 键合）的分解温度远低于大多数合适聚合物的分解温度，远低于外延温度。不同研究小组对键合模板的演示都是基于直接晶圆键合，彼此之间略有不同。图 1 是示意图，总结了在 Si 上形成这种垂直 al p-i-n 二极管激光器结构的主要工艺步骤。我们重点介绍了不同研究小组在键合技术、外延和外延后制造方面的差异。
Si 衬底可以是纯 Si 或 SOI 晶片，而后者提供了在 III-V 模板层下创建 Si 波导或其他硅光子结构的可能性。为了在 III-V 模板层下方的 Si 中实现光子结构，必须在晶片键合之前对 SOI 晶片进行预图案化。在我们的工作中，我们还在 Si 中图案化了垂直排气通道 (VOC)，以避免由于键合界面处的聚合反应产生的气体产物而形成键合缺陷，即气体空隙。III-V 实验室在 Si 晶片顶部使用 200 nm 热氧化物作为氢储存器，以允许气体产物扩散，从而提高键合质量。虽然上智大学的键合方法中没有图案或氧化层，但 Si 衬底和模板晶片都经过了 H2SO4 清洗的亲水处理。III-V 模板外延晶片基本上包括原生衬底上的键合层和蚀刻停止层。对于基于 InP 的模板，键合层是 InP，通常为 n 掺杂，用作有源器件的接触层。InGaAs 蚀刻停止层用于在 HCl 基溶液中选择性蚀刻 InP 衬底，然后在选择性去除后产生理想的再生长表面。在用 O2 等离子体、键合电介质沉积或 H2SO4 溶液处理清洁和激活 Si/SOI 和 III-V 模板晶片的两个顶面后，将 III-V 晶片键合到 Si/SOI 晶片上。通过施加压力并在 300 – 400 °C 下退火，形成强共价键。接下来是去除 III-V 衬底和蚀刻停止层。选择性地去除蚀刻停止层以露出 n-InP 模板层后，键合模板即可进行外延再生长。
图 2 | HPE、III-V 实验室和上智大学制造的 InP-on-Si 键合晶圆的图片。图片经许可转载自：(a) 参考文献 29，根据 Creative Commons Attribution 4.0 国际许可；(b) 参考文献 31，(c) 参考文献 25，John Wiley and Sons。
图 2 中从左到右的图片分别展示了我们、III-V 实验室和上智大学制作的 InP-on-Si 键合晶圆。我们将四分之一 2 英寸 InP 晶圆与 SOI 晶圆进行键合，而 III-V 实验室和上智大学分别通过将 4 英寸全 InP 晶圆键合在 6 英寸 SiO2/Si 晶圆上，以及将 2 英寸全 InP 晶圆键合在 2 英寸 Si 晶圆上来实现生长模板。所有键合生长模板都经过验证，足以承受升高的外延生长温度。
在开发出键合生长模板之后，接下来就是使用金属有机气相外延 (MOVPE) 外延再生长晶格匹配的 III V 器件层堆栈。最后，晶圆经过后续 III-V 激光器器件制造处理。我们注意到，Si 基衬底的类型（SOI 或 Si）和 III-V 层的具体设计决定了光学模式分布。通过使用预图案化的 SOI 和薄 III-V 模板层，可以实现混合模式，从而实现从 III-V 有源层到 Si 的衰减光耦合。当使用纯 Si 衬底时，需要厚的 n 层以允许光学模式主要限制在 III-V 中而不会泄漏到 Si 衬底中。这三个研究小组开发的键合生长模板适用于再生长激光结构和制造垂直注入激光器。考虑到 NTT 解决方案中的横向 p-i-n 二极管激光器结构与其他 3 个团队的垂直结构存在显著差异，本文重点回顾了在此平台上展示垂直 p-i-n 激光器的进展。
外延再生长和材料特性
外延再生长
图 3 | HPE、III-V 实验室和上智大学的粘合模板上的外延再生长激光结构。图片根据以下授权复制：(a) 参考文献 29，根据 Creative Commons Attribution 4.0 国际许可；(b) 参考文献 32，(c) 参考文献 26，IEEE
在我们的工作中，我们使用商业供应商的 MOVPE 系统在键合模板上进行了激光器结构的外延再生长。生长温度为 600°C。如图 3(a) 所示，外延结构类似于之前展示的异质激光器结构 33，具有与 Si 光子电路的低损耗衰减耦合。基于 InGaAsP 的 MQW 设计用于 1.31 μm 的光发射。总外延厚度约为 2 μm。在 III-V 实验室的工作中，在 610°C 的 MOVPE 系统中生长了总厚度为 3 μm 的基于 AlGaInAs 的 MQW 激光器（图 3(b)）。在索菲亚大学的工作中，在低压 MOVPE 系统中，在 650°C 的外延温度下生长了基于 InGaAsP 的 MQW 激光器结构。外延结构如图 3(c) 所示，显示总再生长厚度超过 2 μm。虽然激光器结构设计不同，但对于传统的垂直注入激光器，厚度均超过 2 μm。键合模板的引入消除了 Si 和 III/V 材料之间的晶格和极性失配，但热失配仍然存在。可以通过比较键合衬底上的外延质量和原生衬底上的外延质量来研究这种剩余失配的影响。所有实验都包括原生 InP 衬底上的相同生长，以比较材料质量或器件性能。表面特性用原子力显微镜 (AFM) 表征了再生长外延的表面粗糙度，我们获得的均方根 (RMS) 值为 0.2 nm，而 III-V 实验室的生长值为 0.7 nm。图 4(a) 和 4(b) 显示了我们工作和 III-V 实验室工作的外延再生长的 AFM 图像。特别是，我们在参考 InP 衬底上外延生长的物质上获得了相同的 0.2 nm 的 RMS 值。这表明在键合衬底上外延生长的物质与在原生衬底上外延生长的物质具有可比的材料质量。用 Nomarski 成像估计了外延材料的表面质量，如图 4(c) 所示，这表明表面光滑，而在 Sophia University 的工作中，键合导致的空隙占有率为 2.5%。更多的研究27表明，键合引起的空隙的密度直观地代表了外延质量，从而影响了激光阈值电流密度位错表征
图 4 | HPE、III-V 实验室和索菲亚大学的粘合衬底上外延再生长的 AFM 图像和 Nomarski 显微镜图像。图片经许可转载自：(a) 参考文献 29，根据 Creative Commons Attribution 4.0 国际许可；(b) 参考文献 32，(c) 参考文献 26，IEEE。
图 5 | HPE 和 III-V 实验室的粘合衬底上的 MQW 或块外延的横截面 TEM（或 STEM）图像。图片经许可转载自：(a, b) 参考文献 29，根据 Creative Commons Attribution 4.0 国际许可；(c) 参考文献 32，IEEE；(d)参考文献 31，John Wiley and Sons。
表征的另一种常规方法是使用透射电子显微镜 (TEM) 研究材料横截面，以调查可能存在的缺陷。图 5(a) 和 5(b) 显示了我们工作中粘合衬底上 MQW 外延的横截面 TEM 图像，而图 5(c) 是横截面 STEM，图 5(d) 是 III-V 实验室工作的横截面 TEM 图像。在两个 TEM 样本（图 5(a) 和 5(c)）中均未观察到缺陷，并且在两项工作的高倍 TEM 图像（图 5(b) 和 5(d)）中清晰地展示了具有良好对比度的 MQW 层。特别是在我们的工作中，由于我们无法从平面视图面积约为 0.75 μm × 15 μm 的 TEM 样品的横截面 TEM 成像中发现外延中的任何穿线位错 (TD)，因此我们进行了平面视图 TEM 成像，这提供了相对较大的区域 (30 μm × 12 μm) 的观测。尽管如此，平面视图 TEM 未观察到 TD，但观察到了一些失配位错。通过倾斜横截面 TEM 样品，在上部 SCH 和 InP 包层之间的界面处以及靠近界面的 InP 包层内观察到了这些失配。失配的存在被解释为 InP 键合模板和随后的外延中的热应变，因为它们的热膨胀系数不同，这意味着 TD 在观察到的平面视图 TEM 区域中相距很远。
图 6 | (a) ECCI 表征中使用的三光束 (400) 和 (220) 成像条件对应的电子通道模式。(b) 仅具有一个 TD 的代表性 ECCI 图像。该图经许可从参考文献 29 复制，并根据 Creative Commons Attribution 4.0 国际许可。
此外，我们使用电子通道对比成像 (ECCI) 来量化平面图中的位错密度。图 6(a) 显示了与所使用的三光束 (400) 和 (220) 成像条件相对应的电子通道模式。图 6(b) 显示了只有一个 TD 的代表性图像。在 100 张图像中总共计数了 20 个 TD，总映射面积为 100 × 14.5 × 14.5 μm2。这导致位错密度为 9.5 × 104 cm-2，仅比原生 InP 衬底高一个数量级，比具有厚缓冲层的传统单片生长的最新值低两个数量级34。额外的 ECCI 研究观察到小区域具有更集中的 TD，这可能是由键合空隙或污垢颗粒引起的。我们对 InP 见证样品应用了相同的 ECCI 工艺以进行比较，但由于原生衬底上的外延位错密度非常低，因此看不到任何 TD。
光致发光 (PL) 测量
图 7 | HPE、III-V 实验室和
上智大学在室温下对 InP 和键合衬底上的外延进行的 PL 测量。图片经许可转载自：(a) 参考文献 29，根据 Creative Commons Attribution 4.0 国际许可；(b) 参考文献 32，(c) 参考文献 26，IEEE。
图 7 显示了三组在 InP 和键合衬底上的外延在室温 (RT) 下的 PL 测量结果。我们发现，键合衬底样品的 MQW 测量 PL 强度比 InP 衬底样品的 MQW 测量 PL 强度高 2.53 倍，与参考文献 21 中报道的 2.7 倍 PL 强度非常相似。这主要是因为来自 Si 和埋层氧化物层的强反射与来自顶部 III/V 表面的反射耦合，形成共振腔，从而提高了 Si 衬底样品中的 PL 泵浦效率，如图 7(a) 插图中的示意图所示。III-V 实验室的 PL 测量（图 7(b)）显示了类似的现象，即键合 InP/SiO2/Si 衬底上的外延强度比 InP 衬底上的外延强度高 5 倍。由于上智大学的案例中没有折射率对比强烈的材料界面导致反射，他们报告称，键合衬底上外延的 PL 强度与参考 InP 衬底上的 PL 强度相同。所有工作中观察到的峰值波长、半峰全宽 (FWHM) 和 PL 轮廓没有显著差异，这表明键合衬底上的外延质量与 InP 衬底上的外延质量相当。
X 射线衍射 (XRD) 测量
图 8 | 来自三个不同研究小组的外延样品的 XRD 测量结果。图片经许可转载自：(a) 参考文献 29，根据 Creative Commons Attribution 4.0 国际许可；(b) 参考文献 31，John Wiley and Sons；(c) 参考文献 27，Elsevier
对外延样品进行 XRD 测量是一种进一步研究外延质量的方法。图 8 中的三张图是测量到的键合衬底和原生衬底上的外延的 ω−2θ 曲线，用于比较我们的工作（图 8(a)）、III-V 实验室（图 8(b)）和索菲亚大学（图 8(c)）。所有三个比较都表明，两条曲线上的 MQW 卫星峰表现出几乎相同的特征特征，从而表明 MQW 结构具有良好的相似性和完整性。这意味着，尽管总外延厚度超过临界厚度，但键合衬底上的外延具有与原生衬底上类似的高晶体质量。图 8(a) 中详细的 XRD 摇摆曲线分析和高分辨率 omega 扫描提供了更多关于外延的信息，包括应变条件、位错密度估计，这进一步证明了我们的 ECCI 观察结果，即键合衬底上外延中的螺纹位错密度 (TDD) 比原生 InP 衬底上高一个数量级29。
激光演示
具有混合波导面的 III-V-on-SOI FP 激光器
图 9 | (a) 具有混合面的 FP 激光器的显微镜图像。(b) 器件横截面示意图和 (c) 混合面的 SEM。(d) RT 脉冲 LIV。(e) 高达 40 °C 的脉冲 LI（插图：面的模式分布）。(f) 器件光谱。(g) 高达 25 °C 的连续 LI。图片经许可从参考文献 29 复制，根据 Creative Commons Attribution 4.0 国际许可。
在我们的工作中，我们将再生长晶片视为传统的异质晶片，并应用相同的制造工艺来制造两种类型的法布里-珀罗 (FP) 激光器。一种是使用 III-V-on-Si 混合波导面作为前后镜的 FP 激光器，另一种是使用 Si 波导激光面镜的 FP 激光器。图 9(a−c) 分别显示了具有混合面的 FP 激光器的显微镜图像、器件横截面示意图和混合面的 SEM。图 9(d) 和 9(e) 显示了室温 (20 °C) 下的光-电流-电压 (LIV) 曲线和高达 40 °C 的平台温度下的 LI 曲线，两者均处于脉冲注入模式 (0.5 μs，0.25% 占空比)。图 9(d) 中的大二极管电压表示由于制造缺陷而导致的较大串联电阻。模拟的基本 TE 模式轮廓如图 9(e) 的插图所示。1.9 毫米长的器件在 61.8 mA 电流下开始产生激光，在 120 mA 电流注入下从单个面发射 4.2 mW，这对应于合理的阈值电流密度 813 A/cm2 和总斜率效率 0.14 W/A。在室温下脉冲模式下观察到的约 1313 nm 的激光（图 9(f)）与我们的 MQW 设计非常吻合。图 9(g) 显示了高达 20 °C 的平台温度的连续波 (cw) LI 曲线，由于器件焦耳加热，阈值增加。
具有 Si 波导面的 III-V-on-SOI FP 激光器
为了证明与其他 Si 光子电路的便捷集成，我们在工作中展示了具有 Si 波导面的 FP 激光器，该激光器使用两个 50 微米长的 III/V-to-Si 锥形将混合激光模式衰减耦合到 Si 波导，然后到达抛光的 Si 镜。图 10 (a) 显示了具有 Si 波导面的 FP 激光器的显微镜图像和 III/V-to-Si 锥形的 SEM 图像。
图 10 | (a) 具有 Si 波导面的 FP 激光器的显微镜图像和 III/V 到 Si 锥形的 SEM 图像。(b) RT 脉冲 LIV（插图：设备的显微镜图像），(c) 高达 40 °C 的脉冲 LI（插图：面的模式分布）。图片经许可从参考文献 29 复制，根据 Creative Commons Attribution 4.0 国际许可。
图 10 (b−c) 显示了在相同脉冲模式下，室温下的 LIV 和高达 35 °C 的平台温度的 LI 曲线。计算得出具有 2.0 毫米长有源区的 2.1 毫米长器件的阈值电流密度为 1125 A/cm2。图 10(c) 的插图显示了 Si 面上模拟的基本输出模式分布。我们注意到，由于 p-InP 包层中意外的高 p 掺杂等原因，存在多个制造问题，包括大串联电阻和相当高的内部损耗，这严重限制了设备的性能。然而，这种激光器的演示展示了从 III-V 有源层到 Si 波导的光耦合与其他使用纯 Si 衬底或厚 III-V 缓冲层的异质或单片器件相比具有巨大优势，因为没有使用 Si 中出色的无源光波导。
具有 III-V 面 Si 上的 FP 激光器
图 11 | (a) 在 InP-on-Si 衬底上制备的 FP 激光器的 SEM 图像。(b) 20 °C 时脉冲注入模式下的 J-L 特性：键合衬底上的激光器（实线）和 InP 上的激光器（虚线）。(c) 在不同温度下测量的脉冲注入模式下键合衬底上的激光器的 J-L 特性。(d) 键合衬底上的激光器（蓝色）和 InP 上的激光器（红色）的阈值电流密度随温度的变化。该图经 IEEE 参考文献 32 许可复制
III-V 实验室在粘合生长模板（图 3（中心））和原生衬底上展示了大面积 FP 激光器。图 11（a）显示了粘合衬底上制造的激光器的 SEM 图像。台面宽度大于 50 μm，FP 腔长为 660 μm。图 11（b）显示了粘合和原生衬底上大面积激光器在 20 °C 时的脉冲模式电流密度-光 (J-L) 特性。粘合衬底和原生衬底上的激光器在 20 °C 时的阈值电流密度 (TCD) 分别为 400 A/cm2 和 700 A/cm2。TCD 差异可能是由 Zn 掺杂分布或解理面变化的差异引起的。测得的斜率效率分别为 0.092 和 0.095 W/A，分别为键合衬底和原生衬底上的激光器。两个 TCD 值非常接近且量子效率相似，这表明在键合衬底上生长的外延质量与在原生衬底上生长的外延质量相当。图 11(c) 显示了在键合衬底上的激光器在不同温度下（最高 50 °C）测得的脉冲模式 J-L 特性。图 11(d) 显示了键合衬底（蓝色）和原生衬底（红色）上激光器的 TCD 随温度的变化。两种激光器的激光特性温度 T0 均为 53 °C。该结果证实，在键合衬底上生长几微米厚的外延时，材料质量得以保持。III-V-on-Si FP 激光阵列
III-V 实验室还展示了通过在键合 InP-on-Si 衬底上进行选择性区域生长 (SAG) 来覆盖 1550nm 光谱带的 FP 激光阵列35。通过定义
在固定宽度的 InP 模板条两侧蚀刻暴露的 SiO2 掩模，可以相应地调整重新生长的 MQW 厚度，从而导致 MQW 光致发光发射发生变化。
图 12 | (a) 在 20 °C 时驱动电流为 100 mA 的情况下，连续工作条件下测量的五台 FP 激光器的激光光谱。(b−d) 在不同温度下连续工作条件下发射波长为 1515 nm、1580 nm 和 1635 nm 的激光器的 L-I 特性。经许可，该图转载自 IEEE 参考文献 35。
图 12(a) 显示了基于五个不同的选择性生长 MQW 有源区的五个 FP 激光器的测量激光光谱。在 20°C 下，在 100 mA 的驱动电流下，在 500 μm 长的激光器的连续波操作下测量光谱。可以看出，通过调整模板开口的宽度，单个 SAG 已经实现了 155 nm 的光谱带。图 12(b−d) 显示了在 20°C 至 70°C 的不同温度下，在 1515 nm、1580 nm 和 1635 nm 处发射激光的激光器的连续波操作 LI 曲线。这些 SAG 激光器的性能良好，在 200 mA 驱动电流下最大功率为 20 mW，在 1515 nm 至 1610 nm 波长范围内发射的激光器温度最高可达 70°C。此外，III-V 实验室正在调整其平台，使用 SOI 代替 Si 衬底将光耦合到 Si 波导中。
以 Si 衬底为一个接触点的 Si 上的 FP 激光器
图 13 | (a) 典型的激光器结构。(b) 不同温度下粘合衬底上 MQW 激光器的典型 I-L 特性。(c) 输入电流为 J=6.83 kA/cm2 时 MQW 激光器的激光光谱。(d) 粘合衬底和原生衬底上 DH 体激光器和 MQW 激光器的阈值电流密度的温度依赖性。图片经许可转载自：(a) 参考文献 26，IEEE；(b、c、d) 参考文献 27，Elsevier
上智大学已在键合衬底再生长平台上展示了 InGaAsP-InP 块体 DH 激光器 36,37 和 MQW 激光器 26,27。在其激光器结构中，电流通过 InP 和 Si 之间的键合界面注入，使用 Si 衬底作为 n 接触点。典型的激光器结构如图 13(a) 所示。激光腔是通过手动切割两个面而形成的，无需在其上进行额外涂层。DH 激光器在 RT 和脉冲模式下的最低阈值电流密度为 1800 A/cm2，激光波长为 1.5 μm24，而 MQW 激光器的阈值电流密度为 2850 A/cm2。图 13(b) 显示了 MQW 激光器在不同温度下的典型 LI 特性。激光器在脉冲电流模式下测量，脉冲宽度为 0.5 μs，占空比为 0.05%。图 13(c) 显示了 MQW 激光器在注入电流密度为 J=6.83 kA/cm2 时的激光光谱，其中激光波长为 1383 nm。他们比较了四种不同类型的激光器的激光特性：键合基板和原生基板上的 DH 体激光器，键合基板和原生基板上的 MQW 激光器。图 13(d) 总结了四种类型激光器的阈值电流密度的温度依赖性。我们可以看到，两种不同基板上的 DH 激光器的阈值电流密度相同，而两种基板上的 MQW 激光器的阈值电流密度则截然不同。键合衬底和原生衬底上的 DH 激光器的阈值电流密度随温度的增加趋势几乎相同，而键合衬底和原生衬底上的 MQW 激光器的阈值电流密度随温度的增加趋势不同。由于观察到直接键合 InP/Si 衬底中由 SCH-MQW LD 生长引起的空洞密度略高于具有体 LD 的 InP/Si 衬底中的空洞密度，因此激光器性能的差异可以解释为键合质量显著影响激光器性能，因为电流必须通过键合界面注入。另一个可能的原因可能是基于 MQW 的有源区对材料质量的依赖程度远远高于体材料。而两种衬底上的 DH 激光器的相似性表明，具有良好键合质量的键合衬底上的外延质量可以与原生衬底上的外延质量相媲美。作为比较，我们在表 1 中总结了所审查的三个研究小组的演示的主要特征，包括键合方法、外延特性和激光性能。可以看出，III-V 实验室实现了最佳的激光性能，而我们的工作展示了从有源区到 Si 的光耦合能力。我们相信，未来这些概念验证激光演示将激发更多的成就
讨论和总结
上述不同研究小组的研究进展表明，人们对这种在硅基键合衬底上 III-V 族元素再生长的新概念越来越感兴趣，而且潜力巨大。已成功开发出 Si 侧具有变化的键合生长模板，并通过不同的表征方法证实了 III-V MQW 外延的高质量。概念验证激光演示进一步得出结论，其电学和光学特性得到很好的保存，可与原生衬底上的生长相媲美。根据我们在前期工作 29 中的详细讨论，键合模板上的再生长方法具有巨大的兴趣，并且具有进一步研发的高价值，主要原因如下。
1) Si 上低位错密度的高质量外延。在粘合模板上外延的方法消除了位错的三个主要根源中的两个：
外延生长导致的衬底（例如 Si）和功能材料（例如 III/V）之间的晶格和极性失配。
衬底和模板材料之间的热失配仍会导致再生长材料出现缺陷，但测量结果显示，这种失配处于非常低的水平。
根据室温附近 Si 上 InAs QD 激光器的老化测试 18，TDD 从 108 cm-2 降低到 106 cm-2 可以将激光器的寿命从几个月延长到 100 年以上。
我们有理由期待，位错密度更低的粘合模板上再生长的激光器将消除所有实际应用中缺陷引起的寿命问题。
2) 它是许多其他异质材料组合的通用方法。由于外延质量高且厚度可达数微米，这种在键合模板上生长的方法可以成为许多其他异质材料组合的通用方法。
衬底可以是半导体（例如 Si）、介电体（例如 Si3N4）、金属等，顶部生长的材料可以是块体材料、QW、QD 或其他纳米结构。在同一模板上连续多次生长可以成为实现先进、大晶圆级、密集光子集成的常规程序。硅光子学的一个很好的例子是，通过在单个键合模板上实施多次选择性再生长，而不是在每个芯片上键合三或四种类型的外延结构，将光源、放大器、调制器和探测器集成在单个芯片上，并且距离很近，耦合损耗很低38。我们相信，在单个键合衬底上生长的各种功能材料可能会成为大规模工艺。
3) 与其他现有的 III-V 族硅上集成方法相比，它具有成本竞争力。表 2 是使用不同的 III/V 族硅上集成方法构建的相同二极管激光器的生产和运行成本的定性比较。四种集成方法分别比较了所有成本，包括衬底材料（Si 和 InP 衬底）、III/V 族外延、器件制造（键合和器件制造）、芯片封装和操作。标记（x、xx、xxx）表示每列中四种集成方法之间的相对成本水平，但不表示列之间的成本差异。外延加键合方法可以在比其原生衬底更大、更便宜的衬底上实现材料生长。在同一生长模板上进行多次再生长的自然可行性可以实现非常高密度的集成，从而最大限度地减少芯片尺寸和封装工作量。因此，键合加外延方法总体上具有非常高的成本竞争力。由于直接晶圆键合对于基于键合衬底上再生长的该平台至关重要，因此需要高效、可靠和高质量的大面积晶圆键合技术，以使该方法在标准 CMOS 代工厂中得到应用，从而实现实际应用的商业化。仍然需要进行广泛的研究和开发，以在模板上进行多次选择性再生长，以充分发掘该平台的能力和潜力。此外，研究重复使用 III-V 衬底进行模板制备的选项41 是另一个有趣的研究课题，可以最大限度地节省该平台的成本。总之，键合衬底上的外延再生长正在成为一种用于 III-V-on-Si 光子集成的新型集成方法。它是一种将不同材料组合到各种衬底上的通用方法，特别适用于片上光源和 Si 光子学的其他功能设备。当前高质量的外延材料再生长和概念验证脉冲和连续波激光器演示将激发更多研发工作，推动该集成平台的发展。它具有低成本、高可扩展性和高集成密度等特点，值得期待在众多一体化光子集成应用中的应用
