晶圓級(jí)微轉(zhuǎn)移印刷方法

（中國(guó)AI網(wǎng) 2025年08月01日）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)等應(yīng)用需要（近）可見(jiàn)激光源的光子集成。將III-V族光學(xué)增益材料與低損耗氮化硅波導(dǎo)進(jìn)行異質(zhì)集成，可以在單個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)包含低噪點(diǎn)激光器的復(fù)雜光子電路。先前的演示主要集中在通信波段。對(duì)于短波，實(shí)現(xiàn)III-V族材料與氮化硅波導(dǎo)之間的高效光耦合方案有限。基于晶圓鍵合器件的進(jìn)展需要復(fù)雜的耦合結(jié)構(gòu)，并且存在散熱不佳的問(wèn)題。

在一項(xiàng)研究中，根特大學(xué)和比利時(shí)微電子研究中心團(tuán)隊(duì)展示了一種晶圓級(jí)微轉(zhuǎn)移印刷方法，以將功能性III-V器件直接集成到商業(yè)氮化硅平臺(tái)的硅襯底。他們展示了基于高效砷化鎵（GaAs）、工作于800納米波段的放大器（集成了可飽和吸收體）與氮化硅腔之間的對(duì)接耦合。這產(chǎn)生了延伸腔連續(xù)波激光器和模式鎖定激光器，其產(chǎn)生的脈沖序列重復(fù)頻率范圍為3.2至9.2吉赫茲（GHz），并展現(xiàn)出優(yōu)異的被動(dòng)穩(wěn)定性（無(wú)源穩(wěn)定性），其基頻射頻線寬低至519赫茲（Hz）。

結(jié)果表明，利用可擴(kuò)展制造技術(shù)，有可能構(gòu)建800納米復(fù)雜、高性能的全集成激光系統(tǒng)，并在AR/VR等領(lǐng)域取得重大進(jìn)展。

小型化、高能效的光學(xué)器件對(duì)廣泛的技術(shù)越來(lái)越重要，比如AR/VR。光子集成電路（PICs）在單個(gè)芯片結(jié)合了多種光學(xué)功能，利用現(xiàn)有的CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）工藝和基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn)這種小型化，同時(shí)相較于傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)在尺寸、重量、功率和成本方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

為了實(shí)現(xiàn)先進(jìn)PICs，需要在適合波長(zhǎng)的波導(dǎo)平臺(tái)集成提供短波相干輻射的激光源。對(duì)于短于1.1μm的波長(zhǎng)，廣泛使用的絕緣體上硅（SOI）平臺(tái)由于其相對(duì)較窄的帶隙而不再適用。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，最有前途和技術(shù)成熟的解決方案是使用氮化硅（SiN）波導(dǎo)平臺(tái)，提供低至約400nm波長(zhǎng)的寬帶透明度和低于0.1 dB m?19,10的極低損耗。這使得SiN波導(dǎo)對(duì)于利用超高q微腔或其他協(xié)整非線性材料的非線性器件特別有吸引力。

然而，一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)在于從III-V光源到低損耗波導(dǎo)的耦合，這是由于III-V材料（> 3）和SiN（~ 2）之間的大折射率對(duì)比。在電信和光通信波長(zhǎng)（1550 nm和1310 nm），已經(jīng)展示了諸多有希望的演示。遺憾的是，由于硅的小帶隙，這對(duì)于短波長(zhǎng)并不可能。使用中間介電介質(zhì)作為耦合結(jié)構(gòu)/點(diǎn)尺寸轉(zhuǎn)換器，光可以從III-V非絕熱耦合到中間介電介質(zhì)波導(dǎo)，然后使用倒錐形管短暫耦合到SiN波導(dǎo)。這成功地用于在SiN平臺(tái)集成廣泛的III-V，首先在亞微米波長(zhǎng)，隨后在780 nm。

不過(guò)，然而，這種介質(zhì)耦合結(jié)構(gòu)需要在III-V族材料集成之后沉積并圖案化波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，這顯著地令集成后工藝流程復(fù)雜化。同時(shí)，絕熱倒錐結(jié)構(gòu)的使用限制了工作帶寬。

另一種光耦合方法，對(duì)接耦合，已廣泛用于將激光器集成到SiN和薄膜鈮酸鋰（TFLN），從1550 nm一直到637 nm，以制造穩(wěn)定的單模激光器和鎖模激光器。在這里，一個(gè)III-V增益芯片與一個(gè)低損耗波導(dǎo)芯片對(duì)接。由于工藝的芯片級(jí)性質(zhì)，芯片到芯片耦合本質(zhì)上比晶圓級(jí)方法的可擴(kuò)展性更低，限制了其商業(yè)化潛力。但通過(guò)微轉(zhuǎn)移印刷集成方法的優(yōu)越靈活性，III-V可以使用直接對(duì)接耦合方法在晶圓規(guī)模進(jìn)行異質(zhì)集成，其中III-V直接放置在硅襯底的頂部，而與晶圓鍵合集成技術(shù)相比，這可以提供優(yōu)越的熱特性和極寬帶光耦合。

同時(shí)，微轉(zhuǎn)移印刷提供了一系列的優(yōu)勢(shì)，如高效的III-V材料使用和不需要在SiN晶圓進(jìn)行III-V加工。這項(xiàng)技術(shù)先前已經(jīng)通過(guò)將法布里-珀羅激光器耦合到波長(zhǎng)為1550 nm和1310 nm的波導(dǎo)而得到了證明。不過(guò)，相關(guān)演示缺乏有效的耦合和復(fù)雜的激光功能，如擴(kuò)展腔激光器。

對(duì)于根特大學(xué)和比利時(shí)微電子研究中心團(tuán)隊(duì)的研究，這是首次使用短波微轉(zhuǎn)移印刷進(jìn)行晶圓級(jí)兼容對(duì)接耦合集成的擴(kuò)展腔激光演示。利用對(duì)接耦合的跨波長(zhǎng)特性，所述技術(shù)可實(shí)現(xiàn)800納米的激光發(fā)射。團(tuán)隊(duì)演示了具有超過(guò)4 mW連續(xù)波輸出功率的擴(kuò)展腔激光器，并通過(guò)無(wú)源鎖模產(chǎn)生超穩(wěn)定脈沖串，基頻（RF）線寬低至519 Hz，脈沖能量高達(dá)0.27 pJ。集成激光器展示了方法的健壯性和多功能性。

使用團(tuán)隊(duì)介紹的集成方法，可以將復(fù)雜的高功率激光器集成在800 nm的SiN平臺(tái)。通過(guò)優(yōu)化III-V - SiN耦合，可以提高器件的輸出功率，使其與激光片表征中的高功率勢(shì)相匹配。通過(guò)調(diào)整印刷參數(shù)、粘附層組成和厚度以及凹槽刻蝕深度的控制來(lái)優(yōu)化微轉(zhuǎn)移印刷工藝，可以顯著改善這一問(wèn)題。

另外，單模激光器可以集成包括濾波器，以潛在地實(shí)現(xiàn)> - 15nm波長(zhǎng)可調(diào)諧性。最后，通過(guò)將Fabry-Perot激光板與平面前切面集成，可以獲得最優(yōu)的勢(shì)能。通過(guò)這種方式，波導(dǎo)耦合功率可能達(dá)到50毫瓦。由于耦合方案的跨波長(zhǎng)性，所演示的集成方法可以很容易地?cái)U(kuò)展到使用不同增益材料的更短波長(zhǎng)。

不同的波導(dǎo)平臺(tái)，如薄膜鈮酸鋰絕緣體（LNOI）或氧化鋁可以用來(lái)進(jìn)一步擴(kuò)展光譜和功能。通過(guò)使用微轉(zhuǎn)移印刷方法的靈活性，多種不同的材料可以在密度和復(fù)雜性方面協(xié)同集成，而這在很大程度上是使用晶圓鍵合所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的事情。同時(shí)，這種集成過(guò)程與現(xiàn)有光子SiN平臺(tái)的兼容性意味著這種方法非常適合大規(guī)模生產(chǎn)。微轉(zhuǎn)移印刷可用于在CMOS工藝的后端線上以晶圓規(guī)模集成III-V材料，使CMOS不兼容的III-V材料遠(yuǎn)離前端。

這證明了微轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)在較短波長(zhǎng)的III-V集成方面的潛力。采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積沉積的SiN硬掩膜，采用電感耦合等離子體刻蝕形成激光脊波導(dǎo)和可飽和吸收體隔離，并通過(guò)UV光刻和SF6/CF4/ h2基反應(yīng)離子刻蝕進(jìn)行圖片化。接下來(lái)，通過(guò)低應(yīng)力PECVD SiN鈍化激光，打開(kāi)通孔，通過(guò)電子束沉積和提離工藝沉積p接觸金屬和n接觸金屬。

為了消除金屬/III-V界面的天然氧化物，在接觸沉積之前使用稀HCl浸液，并在430°C下對(duì)接觸進(jìn)行快速熱退火。隨后，激光器的臺(tái)面，包括光學(xué)面，使用相同的ICP配方蝕刻，并使用PECVD SiN鈍化。一個(gè)金鏡沉積在一個(gè)面，包括一個(gè)薄的（幾納米厚以限制吸收）鈦粘附層，并使用傾斜的電子束沉積。接下來(lái)，使用基于BCl3/ h2的ICP蝕刻和光刻膠掩膜選擇性地暴露襯底，對(duì)InGaP釋放層進(jìn)行圖圖化。然后用厚的（~ 6μm）正光刻膠形成tether封裝到基板，并使前表面裸露以允許緊密對(duì)接。最后，使用2:1的HCl:H2O溶液進(jìn)行蝕刻。

在微轉(zhuǎn)移印刷之前，使用ICP和CHF3/Ar氣體混合物以及鉻金屬硬掩膜蝕刻凹槽，并通過(guò)升降工藝?yán)L制圖案。接下來(lái)，添加一層薄薄的（~ 50 nm）光圖圖化BCB 粘附層。接下來(lái)，III-V微轉(zhuǎn)印到凹槽中，對(duì)準(zhǔn)氮化硅波導(dǎo)。最后，進(jìn)行印后處理以添加金屬觸點(diǎn)并用BCB填充光路中的任何空隙。

相關(guān)論文：Micro-Transfer Printed Continuous-Wave and Mode-Locked Laser Integration at 800 nm on a Silicon Nitride Platform

https://arxiv.org/pdf/2504.16993

總的來(lái)說(shuō)，根特大學(xué)和比利時(shí)微電子研究中心團(tuán)隊(duì)展示了一種晶圓級(jí)微轉(zhuǎn)移印刷方法，以將功能性III-V器件直接集成到商業(yè)氮化硅平臺(tái)的硅襯底。他們展示了基于高效砷化鎵（GaAs）、工作于800納米波段的放大器（集成了可飽和吸收體）與氮化硅腔之間的對(duì)接耦合。這產(chǎn)生了延伸腔連續(xù)波激光器和模式鎖定激光器，其產(chǎn)生的脈沖序列重復(fù)頻率范圍為3.2至9.2吉赫茲（GHz），并展現(xiàn)出優(yōu)異的被動(dòng)穩(wěn)定性（無(wú)源穩(wěn)定性），其基頻射頻線寬低至519赫茲（Hz）。