III-V与硅的异质集成

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。

文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望大家不吝指出，欢迎大家留言讨论。

参考文献:

1. T. Komljenovic, et.al., "Photonic Integrated Circuits Using Heterogeneous Integration on Silicon", Proc. IEEE 106, 2246(2018)
2. J. Bowers, et.al., "Realities and challenges of III-V/Si integration technologies", OFC 2019
3. A. Fang, et.al., "Electrically pumped hybrid AlGaInAs-silicon evanescent laser", Opt. Exp. 14, 9203(2006)
4. A. Fang, et. al., "A Distributed Bragg Reflector Silicon Evanescent Laser", IEEE Photon. Technol. Lett. 20, 1667(2008)
5. H. Duprez, et.al., "1310nm hybrid InP/InGaAsP on silicon distributed feedback laser with high side-mode suppression ratio", Opt. Exp. 23, 8489(2015)