北京大学常林课题组：异质集成Si/Ⅲ-Ⅴ激光器超全学习指南

来源：中国激光杂志社

封面解读
硅波导上光流转，异质激光共此盘。微环谐振调频稳，光频应用尽开端。文章链接：高旭, 常林. 异质集成Si/III-V族半导体激光器研究进展（特邀）[J]. 激光与光电子学进展, 2024, 61(19): 1913004.
01研究背景

近年来，随着信息和通信技术的飞速发展，推动了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的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“通信瓶颈”的问题。利用光子集成电路（PICs）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，PICs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PICs亟需解决的问题。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，已经证明了几种产生片上光源的有效方法，包括通过使用硅纳米晶体、稀土掺杂、锗及其合金、以及硅集成的III-V族光源等。另一方面，经过十多年的深入研究，硅光子学不再局限于面向通信的技术，已经发展成为一个多功能的集成平台，在传感、光谱学、信号处理、量子科学、微波工程、成像和高性能计算等领域具有巨大潜力。在这篇综述中，概述了最近几年异质集成激光器的最新进展，包括集成方式、发展现状及应用领域。

02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光源异质异质集成的方法主要可以分为一下四种类型：倒装芯片集成、芯片/晶圆键合、微转印和直接外延生长。

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。该技术最早由IBM在1988年开发，如图1所示，用于电子电路的集成，并在电子电路革命中逐渐成熟。近年来，这一集成方法在PICs中也得到了广泛关注。倒装芯片集成方法的常见优点包括其成熟的工艺、良好的热管理、小接触面积、在组装前可进行芯片测试和特性化以及高产率。此外，电接触具有低寄生电感和短互连长度，适用于高频信号传输（如数十GHz）。

成熟的倒装芯片集成工艺使该方法在光子集成电路中同样具有吸引力。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。总之，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。在光子集成电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。

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

芯片/晶圆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方法。不同的晶圆表面通过它们的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，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。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-珀罗激光器、分布反馈激光器和多种可调激光器。

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

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。粘合剂键合是通过将粘合剂旋涂在一个或两个晶圆的表面上，将它们面对面对齐，并施加压力使晶圆表面紧密接触。然后对粘合剂进行加热或紫外线照射，使其从液态或粘弹性状态转变为固态。DVS-BCB胶粘剂芯片到晶圆的键合过程如图2（b）所示。

微转印技术是将微米级薄膜组件从源基板转移到目标基板上的方法。如上所述，经典的异质集成方法依赖于芯片到晶圆或晶圆到晶圆的键合来集成III-V材料。然而，这种方法对于III-V材料的利用效率很低，因为在大多数光学芯片中，III-V光电组件所占的面积仅占电路面积的一小部分。

此外，在单个芯片上集成不同的III-V层堆叠会因为键合芯片所需的最小尺寸而对掩模设计产生很大限制。这项技术能够为在硅PICs上更低成本地集成III-V半导体材料或器件提供支持，因为它只在需要的地方提供III-V材料，同时保持高产量和可扩展性。图3展示了这一过程，所有四个红/黄样片都是平行转移的（当然，数组可以包含超过四个样片）。该图还展示了所谓的面积放大，其中一个小型III-V晶圆可以通过重复步骤填充多个大型硅晶圆。通过使用多个源晶圆，可以直接集成多个III-V堆叠。

图3 从III-V基板到SOI目标基板的III-V试样转移打印中的面积放大图示。第一个源晶圆的试样用红色表示，第二个源晶圆用黄色表示。（a）图案印章；（b）两个带有图案试样的源基材；（c）SOI 目标基材，左上角每个来源有四个印刷的印制试样

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。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所承诺的规模经济效益。

03异质集成的Si/Ⅲ-Ⅴ激光器的研究进展及应用

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。

近红外波段（750 nm-2 μm） 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。随着技术的发展，主要应用领域也逐渐得到拓展，例如激光雷达、信息处理、光学原子钟、精密测量、生物成像和光谱学等。

中红外波段（2 μm-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（例如，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 PICs 上异质集成 III-V 激光源和探测器来实现。

04结论与展望

我们回顾了最近展示的III-V 激光器在 Si 上常见的异质集成方法，以及Si/Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器集成的最近研究进展，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，由于对超洁净和极其光滑的表面有严格的要求，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和商业化大规模生产。

作者简介

高旭，北京大学博士后，主要从事光子芯片异质集成方向的研究。

常林，北京大学博雅青年学者、助理教授、博士生导师。主要从事光子芯片方向的研究。其开发的硅光与氮化硅、铌酸锂、三五族半导体的异质集成技术，实现了光通信、激光雷达、光计算、光量子系统的芯片集成。主持科技部重点研发计划、北京市科委项目、北京市基金委重点项目等，参与国家自然科学基金重大项目。获得了“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达摩院青橙奖“、”2023麻省理工科技评论35岁以下科技创新35人“、“2022年中国智能计算科技创新人物”等一系列奖项。相关工作被评为“2020年世界基础领域十大进展”、“2022 中国十大科技创新奖”、“2022中国光学十大进展“、”2022中国芯片科技十大进展“、“2022 中国光学领域十大社会影响力事件”等。其研发的硅光异质集成技术已被多家企业产业化。

作为第一/通讯作者在Nature (3篇)、Science (1篇) 、Nature Photonics （4篇）等一系列知名期刊发表论文30余篇。受邀为Science撰写铌酸锂光子学综述，为Nature Photonics 撰写了集成光频梳技术的综述。相关工作被美国物理学会、美国光学学会、光明日报多次头版/封面报道。担任Nature、Nature Photonics、 Nature Electronics 等期刊的特邀审稿人。

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审核编辑 黄宇