热量积聚会阻碍半导体激光器发挥其全部潜力。这可以通过将 III-V 激光堆栈异质集成到具有高热导率的非原生基板材料上来解决。在这里，我们展示了异质集成在碳化硅 (SiC) 基板上的 III-V 量子点激光器，具有高温稳定性。在接近室温的情况下，T0 为 221 K，相对不受温度影响，而激光发射可维持在 105。C 左右。SiC 平台为实现光电子、量子和非线性光子学的单片集成提供了独特而理想的候选者。
划重点
从目前我们看到的
单材料波导平台：sicoi,lnoi,ltoi,InGaPOI
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 QD LD--SIC
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
简介。III-V 外延材料与非原生衬底的异质集成有可能创造出与之前仅使用 III-V 材料演示的器件性能相同或更好的器件。近年来，由于 CMOS 兼容平台的低成本和可扩展制造潜力，商业化前景推动了硅和绝缘体上硅 (SOI) 晶圆上的异质集成 [1]。然而，其他具有有益热或光学特性的潜在非原生衬底材料仍未得到充分探索。
III-V 量子点 (QD) 激光器是异质集成的一个特别有趣的候选材料，因为它具有比量子阱 (QW) 激光器固有的结构优势，包括卓越的缺陷容忍度和光学增益的热稳定性 [2–4]。除了简单的法布里-珀罗腔激光器所具有的卓越性能外，QD 有源区还能够开发复杂的光子光源，例如微环激光器 [5]、分布式反馈 (DFB) 激光器 [6-8]、耦合腔可调激光器 [9] 和光子晶体激光器 [10]。
在原生衬底上生长的 QD 激光器受到 III-V 平台的热性能和制造约束的限制，例如较低的加工温度和与硅基无源元件的不兼容性。尽管异质外延生长技术取得了巨大进展，但在硅衬底上直接单片生长 III-V 材料的持续努力尚未达到原生生长器件的性能 [3,4,11]。相比之下，异质集成方法可以将功能齐全、高性能的原生生长 QD 激光器放置在与其他关键光子元件兼容的非原生衬底上。最近，异质方法创造了与硅基片结合的高速 DFB QD 激光器的记录 [7,8]。QD 激光器的成功转移表明异质集成光子器件的制造方法得到了相应的改进。下一步自然是将 QD 激光器引入其他非原生平台，从而有可能提高器件和芯片级性能。
集成光子技术的发展推动了对高功率光源的需求，这些光源可以密集地封装在小体积内。特别是，电信数据中心的互连需要光学器件和电子器件紧密地共封装在一起。这些组合设备在运行过程中会产生大量热量；例如，单个专用集成电路 (ASIC) 交换机的功耗可能超过 200 W [12]。高设备密度的激光芯片内热负荷的增加会改变光输出、降低性能并缩短设备的整体寿命。这就需要在高封装密度和有效的激光性能之间做出权衡，而这又给将光子光源应用于物理空间有限的应用带来了相当大的困难。
可以使用基板作为散热器来减轻热积聚，但这种方法的有效性取决于基板材料的热导率。与 300 K 时热导率为 0.55 W/cm·K 的原生 GaAs 衬底 [13] 和 300 K 时热导率为 1.3 W/cm·K 的未掺杂硅 [14] 相比，SiC 在 300 K 时具有令人印象深刻的 4.9 W/cm·K 高热导率 [15]。此外，SiC 具有高击穿电压 (3 × 106 V/cm) [16]、高光学损伤阈值 (80 GW/cm2 ) [17] 以及二阶 (30 pm/V) 和三阶 (10−18 m2/W) 非线性效应 [18,19]，这些使 SiC 平台成为多组件集成的独特而理想的候选者。
先驱性工作提出了 SiC 光子学平台上的 III-V 族元素，其中 InP 和 InGaAsP 波导被成功转移到块状 SiC 衬底上 [20]。对与 SiC 键合的 III-V 族元素的进一步表征表明，与硅或 SOI 衬底相比，SiC 上 InP 薄膜的散热性能提高了 9 倍，并且热应力降低了 [21]。尽管人们对异质键合硅平台上 III-V 族激光器的特性进行了广泛的研究 [1,22,23]，但对于集成在 SiC 衬底上的 III-V 族激光器的研究却很有限。最近在膜器件处理方面的研究表明，在直接调制下工作的 SiC 衬底上的膜激光器具有良好的高速性能 [24]。初步工作还表明，SiC 平台能够生产光子晶体 [25]、非线性微谐振器 [19] 和用于量子计算的长相干自旋缺陷光子学 [19,26]。展望未来，需要对将 III-V 族激光器异质集成到 SiC 上的工作流程进行全面的研究。
在本研究中，我们使用芯片级异质集成将 InAs QD 激光器键合到高热导率 SiC 衬底上。这些法布里-珀罗激光器在室温下发射 O 波段的激光，最高可维持 105°C 的激光发射，相对而言对温度不敏感的特征温度 T0 为 221 K。此外，这些器件在阈值电流密度低至 223 A/cm2 时即可开始发射激光。虽然这是 SiC 上 QD 激光器的首次演示，但在输出功率水平方面仍有很大的改进空间，但可以在未来的迭代中通过修改光学模式分布和 QD 有源区来解决这一问题。这些激光器的低阈值电流密度和对温度不敏感的性能表明，导热 SiC 在未来激光应用中具有很高的潜力。
分子束外延 (MBE) 用于在原生 (001) GaAs 衬底上生长 III-V 激光结构。该结构瞄准波长为 1300 nm 的 O 波段内增益光谱的中心。图 1 示意性地显示了外延结构。(001) GaAs 衬底上覆盖有 500 nm Al0.8 Ga0.2As，该层将在键合后被去除。器件堆栈从上到下具有以下结构：400 nmp-GaAsp 接触、50 nmp-AlxGa(1-x)As 从 x = 0 渐变到 0.4、1.4 μm p-Al0.4 Ga0.6Asp 包层、20 nm p-AlxGa(1-x)As 从 x = 0.4 渐变到 0.2、30 nm p-Al0.2 Ga0.8As 单独限制异质结构 (SCH)、InGaAs QW增益介质中五次重复的 InAs QD，其中 p 调制掺杂的 GaAs 间隔层掺杂水平为每 QD 10 个孔、30 nm n-Al0.2 Ga0.8As SCH、150 nm n-GaAs n 包层，以及交替的 10 nm n-Al0.3 应变层超晶格 (SLS) Ga0.7As/n-GaAs. SLS 可补偿键合后 III-V 族和 SiC 衬底之间的晶格失配产生的应力。
图 1. 从键合晶圆到完整器件的加工步骤。(a) SiC 衬底。(b) 在键合之前蚀刻衬底以创建垂直通道 (VC)。使用扫描电子显微镜对顶视图进行成像。(c) 在原生 GaAs 上外延生长的 III-V 激光堆栈与 SiC 衬底键合。(d) 定义和蚀刻器件台面，从而形成激光材料结构。(e) 完整激光器的横截面示意图、扫描电子显微照片以及模拟的光学模式归一化强度分布。
初始衬底是市售的半绝缘 2 英寸 6H-SiC (0001) 晶片，掺杂钒至供应商指定的电阻率超过 105 Ω·cm。新鲜的 SiC 晶片通过在顶表面上干蚀刻出网格状的垂直通道 (VC) 图案（两个方向的间距均为 50 μm），准备进行键合，如图 1(a) 和 1(b) 所示。该干蚀刻是通过使用 SF6 气体的电感耦合等离子体 (ICP) 反应离子蚀刻 (RIE) 完成的。在键合之前，先用 N-甲基-2-吡咯烷酮 (NMP) 溶液对原生 III-V 材料和 VC 图案化的 SiC 晶片表面进行准备，然后进行氧等离子体灰化和食人鱼酸清洗。在原生 GaAs 上生长的 III-V 激光堆栈通过 3 nm SiO2 夹层倒装键合到 SiC 晶片上，随后在 100。C 下退火 18-24 小时以释放键合后的残余应力 [图 1(c)]。恢复到室温后，衬底和键合膜之间的热膨胀系数差异导致 III-V 堆栈产生拉伸应变。SiC/III-V 界面中的 VC 图案可使键合步骤中捕获的任何气体在后续处理阶段中逸出。键合后，在衬底去除步骤中抛光掉 GaAs 生长晶片和 AlGaAs 缓冲层。
使用光刻和两步 Cl2/N2 干法蚀刻对初始激光轮廓进行图案化。第一次干法蚀刻定义 p 台面和激光面，而第二次蚀刻创建更宽的 n 台面 [图 1(d)]。沿 n 型台面沉积 Pd/Ge/Au/Ti 接触金属。用溅射 SiO2 钝化该结构。再用 CHF3/CF4 进行干蚀刻，在 SiO2 上打开通孔，覆盖 n 型台面和 p 型台面。然后在 p 型台面上沉积 Pd/Ti/Au/Pd/Ti 接触金属，在合成气体中以 300◦C 的温度进行 60 秒的快速热退火 (RTA)，然后使用等离子增强化学气相沉积 (PECVD) 沉积第二层 SiO2 钝化层。最后，在 CHF3/CF4 中干蚀刻 n 型接触和 p 型接触通孔以打开第二层钝化层，并在器件上沉积最多 1.5 μm 的额外 Ti/Au 探针金属，以便在特性分析期间进行电注入[图 1(e)]。这遵循了我们之前在硅上开发异质激光器时所用的优化制造方法[7]。在整个制造过程中，样品温度最高限制在 300◦ C，以降低粘合材料发生热致应变或开裂的风险。完成所有制造步骤后，将芯片切割并抛光成法布里-珀罗激光器条。全系列器件包括长度 1500 μm 至 2500 μm 的尺寸和 p 台面宽度从 1.5 μm 到 3 μm 不等的宽度。图 1(e) 显示了 3 μm 台面器件光学模式的电场强度分布。
图 2. (a) 工作台温度为 20°C 至 105°C 时，连续波 (CW) 操作期间的光-电流-电压 (LIV) 特性。插图：阈值电流在 20°C 和 40°C 之间具有特征温度 T0 = 221 K。(b) 在 20°C 恒温或 100 mA 恒定注入电流下，1500 μm x 3 μm 器件的基态峰因热和注入电流引起的光谱红移。(c) 在 100 mA 注入电流下，(b) 中器件在不同温度下的光谱。
结果。在连续波 (CW) 电注入下，在控温台上测量 SiC 上的异质 QD III-V 激光器。两个激光面都是干蚀刻表面，没有施加任何额外涂层。积分球在光-电流-电压 (LIV) 测量期间收集光学器件输出。将器件输出通过透镜光纤耦合到光谱分析仪 (OSA) 进行光谱测量。
在 20。C 时，激光阈值发生在注入电流密度低至 233 A/cm2 时。在 CW 操作中，芯片上所有器件的最大基态功率范围高达 20 mW。图 2(a) 显示了尺寸为 2500 μm x 2.5μm 的器件在 20。C 至 105◦ C 的台面温度条件下的光-电流 (LI) 特性，在此范围内明显存在明显的激光阈值电流。在较高温度下，激光模式消失，非相干光输出表明纯发光二极管 (LED) 行为。在 20°C 和 200 mA 注入电流下，该器件的电阻为 2.6 Ω，电插头效率 (WPE) 为 0.4%。
市售的原生 GaAs 衬底上的 InAs QD 激光器的最大激光温度规格在10°C 和 200°C 之间 [27]，报告结果高达 220°C，特征温度 T0 = 170 K [28]。在非原生硅衬底上，据报道，具有等效 p 调制掺杂的五层 InAs QD 法布里-珀罗激光器在连续波操作下的最大激光温度为 36°C 至 119°C [29]。最近，硅衬底上的 T0 = 167 K 已实现，最大激光发射温度约为 110°C [30]。尽管由于光学增益有限，SiC 激光器的最大温度较低，但与原生 GaAs 和非原生硅衬底相比，221 K 的较高 T0 表明温度敏感性降低。硅衬底激光器从诞生到成熟所展示的工作温度改进表明，任何新平台都具有进步的斜率，这表明通过进一步研究，SiC 激光器的性能有改进的潜力。
在 20°C 标准操作期间，激光峰出现在 1290 nm 和 1305 nm 之间。基态通常以 1300 nm 为中心，第一激发态出现在 1295 nm 处。在不同温度下获取的光谱和固定注入电流 100 mA 表明，在不同温度下跟踪同一峰值时，热红移为 0.106 nm/°C。在固定温度20。C和变化的注入电流下拍摄的光谱表明，当通过电流追踪同一峰值时，电流驱动的红移为5.64 nm/A[图2（b）]。
当注入电流超过阈值时，这些器件的发射光谱会显示出两个或更多个不同的峰值。在图 2(c) 中，在恒定注入电流 100 mA 下将温度从 20°C 变为 45°C 会产生两到四个峰值。考虑到法布里-珀罗器件的设计，目前尚不清楚光谱为何会显示出许多稀疏的峰值，但这可能表示来自干扰激光腔或面镜的光学缺陷的无意内部反射。如图 1(e) 所示，这些 SiC 上 III-V 器件的面在成像时看起来完好无损。然而，多峰光谱可能表明需要进一步改进工艺以优化器件的几何形状和反射率。
结论。
SiC 衬底是 QD 激光器异质集成的理想候选者，这得益于其高固有热导率，以及已经在 SiC 平台上建立的非线性和量子计算技术的普及。在本研究中，我们表明 InAs/GaAs QD 激光器可以通过倒装芯片键合成功转移到 SiC 衬底上。SiC 键合激光器实现了 233 A/cm2 的低激光阈值电流密度和良好的热特性。221 K 的高 T0 表示在室温附近工作时对热不敏感，激光器工作温度最高可达 105。C。该法布里-珀罗激光器演示展示了在 SiC 平台上实现 III-V 光源集成的初步成功。
进一步开发键合工艺和测试设备可靠性对于实现与最先进的硅衬底上 III-V 异质集成相当的性能至关重要。通过优化的键合程序，SiC 平台将能够将 III-V 光源与更多技术特定应用集成，例如用于电信的 DFB 或梳状激光器。本研究在 SiC 平台上成功演示了键合量子点激光器，这是朝着这一目标迈出的第一步，为未来的集成光子技术奠定了基础，这些技术可以利用 SiC 材料特性来增强片上光源的性能。
除了利用 SiC 平台改进的热导率之外，进一步的扩展还包括将这些量子点激光器与 SiC 平台独有的非线性谐振器和量子计算技术相结合。例如，DFB 激光器可以实现对 SiC 中自旋缺陷量子位的直接片上控制。总体而言，在现有的量子计算系统中添加异质 III-V 组件可以融合针对每个平台优化的设备的优势。这反过来又促进了光子电路的发展，其中所有必要的组件都共存于单个芯片中。
