这一篇笔记聊一聊III-V与硅的混合集成。
由于Si是间接带隙材料,发光效率低,因此硅光芯片的光源问题(硅光芯片的光源)成为了一个难点。这其中,III-V材料与Si的混合集成是一个重要的技术路线。III-V材料是直接带隙材料,利用它来产生激光,就可以解决硅光芯片的光源难题。
典型的工艺流程如下图所示,
(图片来自文献1)
首先在SOI材料上加工好所需的硅光器件,其次将未加工微结构的III-V外延片(wafer或者die)以一定的方式键合到硅光芯片上,接着去除III-V的衬底,并刻蚀出所需的激光器结构以及其他有源器件,最终形成III-V与硅异质集成系统。典型的III/V-Si异质集成系统的截面图如下图所示,
(图片来自文献2)
常见的键合工艺分为两种:
1) 分子共价键键合 (molecular covalent bonding)
该方法在Si芯片与III-V芯片上分别生长出一层几十纳米厚的SiO2, 将两者贴近,依靠分子间的范德瓦尔斯力,两块芯片就可以键合在一起。
2)粘接键合(adhesive bonding)
该方法主要使用一种有机物(DVS-BCB), 它的作用类似胶水,将硅芯片与III-V芯片粘接在一起。
IMEC与Ghent大学采用第二种工艺方案,其他科研机构或公司大都采用第一种技术方案,包括UCSB, Intel, III-V labs等。相比较而言,adhesive bonding工艺相对简单,而共价键合方案制程稍微复杂一点,并且需要注意中间步骤产生的气体问题。
在上述的工艺基础上,进一步可以加工各种类型的激光器,包括:1)FP激光器,2)DFB, 3)DRB, 4) 可调谐激光器。典型的激光器截面如下图所示,
(图片来自文献3)
芯片上方为III-V的多量子阱(MQW)结构,有源区的材料一般为AlGaInAs或者InGaAsP。电泵浦产生的激光模场与硅波导有重叠,通过taper型波导,将光场逐渐转移到硅波导中。在有源区两端刻蚀光栅结构,就形成了DBR激光器;在有源区下方的硅波导刻蚀光栅结构,可以形成DFB激光器,如下图所示。
(图片来自文献4和文献5)
除了激光器之外,人们也尝试了在该异质集成系统上制作调制器、探测器、SOA等有源器件,这里就不一一赘述了。硅基的调制器和探测器性能已经挺好,除非对信号速率要求非常高,一般的应用场景都能够满足要求。所以个人觉得,激光器的研究才是重中之重,该系统中的其他有源器件有些鸡肋。
Intel的硅光模块正是采用的III-V/Si异质集成工艺,目前已经大批量生产。小豆芽比较关心的是,这种异质集成的激光器良率大概有多少?其他量产硅光模块的公司,大都采用分立的DFB激光器,可见该方案的技术难度较大,需要较长时间的探索与积累。 除此之外,IMEC和CEA-Leti都在该领域有多年的研究积累,但是目前并没有对外提供相关的MPW服务。难点还是在工艺。
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参考文献: