摘要：比利时和法国的研究人员利用微转移印刷（MTP）在氮化硅（Si3N4）光子学平台上集成了磷化铟（InP）激光增益材料 [Biwei Pan et al, Photonics Research, v12, p2508, 2024]。

来源：雅时化合物半导体

比利时和法国的研究人员利用微转移印刷（MTP）在氮化硅（Si3N4）光子学平台上集成了磷化铟（InP）激光增益材料 [Biwei Pan et al, Photonics Research, v12, p2508, 2024]。

研究团队由比利时根特大学-IMEC、法国Thales Research and Technology、比利时IMEC和法国III–V Lab联合而成，该团队报告称：“增益部分包含aSi:H（非晶氢化硅）肋形波导和通过微转印印刷在顶部的InP试样。4μmx840μm的增益台面以及两侧180μm长的锥体用于为激光提供足够的增益，并实现InP激光器与aSi:H波导之间的光耦合。”

大容量远距离相干通信系统、传感器和微波光子学都需要这种器件。研究人员还认为，大调谐范围有利于转向角度大的光学相控阵（OPA）和轴向分辨率高的光学相干断层扫描（OCT）系统。

与绝缘体上硅（SOI）等竞争对手相比，Si3N4光子学平台的优势在于传播损耗更低、片上光通信功率处理能力更强。然而，该平台很难与InP相结合，因为两种材料之间的光耦合会受到较大折射率失配的阻碍。此前，该研究团队通过在Si3N4和InP光场之间使用氢化非晶硅（aSi:H）中间桥克服了这一问题。

研究团队表示，Si3N4平台（图1）使研究人员能够设计出一种可调谐激光器，其芯片整体尺寸仅为5.6mmx0.8mm，“比浅刻蚀硅波导上的激光腔要紧凑得多”。

图1：（a）可调谐激光器的显微镜图片。（b）腔体结构的对应示意图（MRR，微环谐振器；MMI，多模干涉仪）。（c）aSi:H/Si3N4波导上微转印III-V增益部分的放大图。（d）扫描电子显微镜（SEM）截面图。

Si3N4平台的一个缺点是热光系数较低（2.45x10-5/K），因此与硅相比，Si3N4波导的通常热波长调谐更为困难，需要进行大量的模拟和设计研究。

III–V Lab设施制造了InP光学增益结构（图2）。释放层包含50nm的砷化铟镓（InGaAs）和150nm的砷化铟铝（InAlAs），可对InP进行选择性刻蚀。

图2：工艺流程示意图：（a）-（h）III-V衬底上的用于微转印的有源试样，（i）-（m）目标衬底上的Si3N4/aSi:H电路和制备，以及（n）-（p）异质集成和后处理。

制备过程构建了脊形波导和多量子阱（MQW）台面结构。然后沉积n型金属，再进行图案化并刻蚀至释放层。氮化硅覆盖在增益结构上，并在去除释放层后为组件提供拴绳。

晶圆上器件之间的区域填充了二乙烯基硅氧烷-双苯并环丁烯（DVS-BCB），并进行了平面化处理，以露出p型接触区。添加了p侧金属，并制作了通向n型金属接触的通孔。此外，还对DVS-BCB材料进行了刻蚀，以便进入释放层。

然后用光刻胶封装试样，并使用三氯化铁（FeCl3）水溶液对释放层进行刻蚀，从而保持Si3N4拴绳对试样的固定。

研究人员评论道：“所有基于III-V的工艺都是在源晶圆上完成的，这表明不同的III-V器件可以同时集成到基于Si/Si3N4的光子电路上，而不会增加工艺的复杂性。这一优势对Si3N4平台至关重要，因为它是纯无源的，需要所有的有源构件。”

无源Si3N4光子电路是在IMEC的200mm试生产线上制造的。硅衬底上有一层2.5μm的热氧化层。在低压条件下，通过化学气相沉积（CVD）在700nm高温等离子体增强化学气相沉积（PECVD）二氧化硅（SiO2）上沉积了400nm的Si3N4层。Si3N4光子电路先通过深紫外（DUV）光刻进行图案化，再进行等离子刻蚀。

光子结构上再覆盖一层高温PECVD SiO2层，然后在Si3N4波导上方100nm处进行平面化处理。

330nm的非晶氢化硅（aSi:H）和100nm的Si3N4硬掩膜也是通过PECVD沉积而成的。在aSi:H中进行肋形波导和条形波导的图案化。在晶圆上覆盖PECVD SiO2并进行平面化处理。硬掩膜材料通过回蚀去除。

然后将光子晶圆切割成不同的样品，以便进一步加工。在添加1.5μm PECVD SiO2顶层之前，先对50nm的氧化铝（Al2O3）刻蚀停止层进行电子束蒸发和图案化。接下来在光子结构的顶部制作了微型加热器。

为了实现蒸发耦合，还在aSi:H结构上制作了凹槽。研究人员解释了刻蚀停止材料的用途：“将Al2O3用作刻蚀停止层，以保持凹槽表面的质量，便于接下来的接合过程。”

先去除Al2O3，再喷涂一层100nm DVS-BCB接合薄层并在150°C下进行软烘烤。研究团队评论道：“在凹槽侧壁形成的DVS-BCB有利于接下来的金属连接。”

研究人员使用单柱弹性聚二甲基硅氧烷（PDMS）印模拾取1260μmx45μm的III-V试样，以便将其微转印至光子电路。

研究团队评论道：“虽然本实验使用的是单柱印模，但通过使用多柱专用印模，有望实现多个器件的同时打印。”

通过两种材料结构上的数字图案识别标记，将试样对准目标位置。

在280°C的温度下固化DVS-BCB，去除光刻胶封装后进行接合。在固化过程中，材料收缩了约80nm。去除DVS-BCB残留物后，通过沉积和图案化一层厚厚的钛/金（Ti/Au）实现了最终接线。

研究团队评论道：“在打印和打印后处理的过程中，既没有源材料和目标材料的工艺，也没有需要高温的工艺，这意味着源晶圆和目标晶圆完全可以在自有代工厂中实现，大大方便了量产和上市时间。”

制造的激光器达到了87.6mA的阈值，注入电流为158.5mA时，激光输出功率达到8.3mW（图3）。工作波长为1571.56nm。使用热电冷却器可将温度保持在15°C。

图3：（a）两侧均有光栅耦合器的参考波导的透射光谱。（b）激光光输出-电流-电压（LIV）行为。（c）1571.56nm波长的频率噪声频谱（插图：从20MHz到40MHz的放大图）。（d）二维输出功率调谐图。（e）不同工作波长下的光学光谱。（f）洛伦兹线宽与波长的相对关系。

研究人员评论道：“增益部分位于厚厚的埋入氧化层上，因此在电功率耗散约为346mW时就开始出现热翻滚。通过降低串联电阻和热阻，输出功率可以进一步提高。”

根据白噪声限制频率测量，固有线宽为5.6kHz。研究团队解释道：“这一线宽可能受到MRR自功率耦合比偏差以及实验中波导损耗和耦合损耗的影响。”

电流为158.5mA时，绘制出MRR加热器的波长调谐效应。研究人员评论道：“输出功率的变化源于MRR和腔模的光谱在设定点的相互对齐程度。调谐图中的局部峰值出现在精确对齐处，这些峰值被提取为激光器的工作点。该激光器可以通过反馈回路锁定在这些偏置点上，从而获得理想的工作条件。”

调谐范围为54nm，侧模抑制比（SMSR）超过40dB。在此范围内，线宽小于25kHz。波长属于常规/C（1530-1565nm）和长/L（1565-1625nm）光纤波段。自由光谱范围（FSR）超出了两个MRR约25nm至三个周期的通常Vernier值。由于增益带宽的限制，目前无法进一步扩展。

Sagnac环路可向微型加热器输入外加功率，改变Mach-Zender干涉仪（MZI）部分之间的光学相位差，从而调整激光输出的反射率。

来源：CSC化合物半导体