IEEE SiPhotonics2025 | 微转印集成2μm波段半导体光放大器到硅基光电子平台

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引言

光电子集成线路的发展为环境和生物医学传感应用开辟了新的途径，特别是在短波红外(SWIR)波段。这一中心波长约为2μm的光谱区域因相关分子显著的吸收特性而对传感应用具有重要价值。硅基光电子，尤其是硅绝缘体(SOI)平台，由于与成熟的互补金属氧化物半导体(CMOS)制造工艺兼容，能够实现低成本、高产量的生产能力，因此成为这些应用的有力基础[1]。

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短波红外波段的硅基光电子技术简介

硅绝缘体平台在短波红外应用中具有多种优势，包括高折射率对比度使得器件尺寸紧凑以及在较长波长下较低的双光子吸收。这些特性使硅成为2μm波段优良的无源波导材料。然而，要实现这一波长范围内功能完善的光电子集成线路，必须将激光器、调制器和光放大器等有源组件集成到硅平台上。

由于硅本身缺乏有效的光发射能力，铟磷(InP)等III-V族半导体材料在这方面表现卓越。挑战在于如何有效地结合这些不同的材料系统。为解决这一挑战，研发了各种异质集成方法，其中晶圆键合是一种已建立的方法。近期，微转印技术作为一种替代集成方法逐渐兴起，具有高效利用材料和实现高密度多组件集成的优点。

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微转印技术

微转印技术是一种创新的异质集成方法，允许将源晶圆上预制的器件"小片"精确放置到目标基底上。与传统集成方法相比，这种技术提供多种优势：

• 通过仅选择已知良好的器件来高效利用材料
• 能够集成来自不同材料平台的组件
• 在目标晶圆上实现多个组件的高密度定位
• 与一些替代工艺相比热预算较低
  

在当前的研究中，Tyndall国家研究所的研究人员展示了首个微转印的应变平衡InP基半导体光放大器(SOA)，该器件工作在2μm波段并直接键合到SOI平台上。

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器件设计与模式工程

集成器件由直接键合到硅波导上的InP基SOA小片组成，在设计时需要仔细考虑材料之间的光学模式分布。

图1：(a) 集成器件的横截面示意图，显示了P接触、P-InP、量子阱(QW)、N-InP层堆叠在硅波导和二氧化硅上的结构。(b) 不同硅波导宽度下P-InP和量子阱区域的模式重叠百分比的模拟结果。

优化SOA下方的硅波导宽度是一个关键的设计方面，以实现最佳性能。研究人员对0.6μm、1μm和1.5μm三种硅波导宽度进行了模拟，同时保持SOA脊宽固定为3μm。模拟结果表明，随着硅波导宽度的增加，模式与高损耗P-InP区域的相互作用显著减少，而与量子阱重叠的减少则很小。这一发现指导了在SOA下使用更宽硅波导的设计选择。为了提高硅波导与SOA波导之间的耦合效率和对准容差，在模式交换区域内将硅波导逐渐扩展至3μm。

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外延结构与制造工艺

SOA外延结构通过金属有机气相外延法生长在朝<111>A方向偏切0.05度的(100)InP衬底上。有源区包含五个5纳米厚的In0.8Ga0.2As压应变量子阱，由六个12纳米厚的张应变In0.36Ga0.64As势垒层平衡。结构还包含InGaAs/AlInAs的双层组合作为下方的释放层，这对转印过程至关重要。设计了一个300纳米厚的n型InP层与硅波导直接接触。

图2：(a) 外延晶圆的光致发光测量，显示在1975纳米处的峰值发射和在1650纳米处来自底层InGaAs释放层的发射。(b) 转印并互连到SOI上的SOA的显微图像，显示了硅波导、锥形区和p接触区域。

SOA凸台图案包括低反射锥形结构，尖端缩小至100纳米，以促进SOA与下方硅波导之间的倏逝耦合。这一设计通过电子束光刻定义并使用基于Cl2/CH4/H2的干法刻蚀工艺进行刻蚀。对于电接触，沉积了Au/Ge/Au/Ni/Au金属层作为N接触。通过在小片周围向基底进行刻蚀并使用光刻胶定义支撑结构，准备器件进行转印。最后，使用FeCl3:H2O对器件进行下切，将其从源晶圆上释放。

目标SOI晶圆准备了400纳米厚的深刻蚀硅波导。使用180纳米浅刻蚀制作的光栅耦合器用于光的进出耦合。在将SOA小片转印并对准到SOI上后，后端处理包括使用BCB(苯并环丁烯)平坦化、沉积p接触金属和厚键合垫金属的剥离。

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表征与性能

为了表征集成SOA的增益，研发了一种工作在1750-2050纳米范围内的可广泛调谐光纤激光器。这种定制激光器基于先前设计的掺铥光纤放大器(TDFA)，结合光纤环腔、偏振控制和可调谐光学滤波器。该激光光源产生峰值功率为3 dBm、线宽小于0.05纳米且在2μm处信噪比为70 dB的发射。

本研究中表征的特定SOA尺寸为长800μm、宽3μm，下方的硅波导宽度为1.5μm。来自可调光源的光通过光栅耦合器注入SOA，同时注入电流最高达到80毫安，受器件电阻限制。在80毫安注入电流下，器件两端测得的电压降为2.1伏。

图3：(a) 在2μm波长下光泵浦的片上SOA输出光谱，显示了从40毫安到80毫安不同偏置条件下的情况。(b) 在40毫安到80毫安不同泵浦电流水平下2μm波长处的信噪比(SNR)。(c) 不同输入功率水平下各种泵浦电流的SOA输出功率，显示输出功率增加4.5 dB相对于输入功率变化3.1 dB。

使用光谱分析仪记录的通过光栅耦合器后的输出光谱显示，随着SOA泵浦电流的增加，输出功率出现非线性变化，同时放大自发辐射增加。此外，在较高的偏置电流下，信噪比有所改善，表明信号增长速度快于噪声基底。

还对不同输入功率水平下泵浦电流与SOA输出功率的关系进行了表征。结果显示，输出功率增加了4.5 dB，而输入功率变化为3.1 dB，表明净信号增益为1.4 dB。然而，绝对输出信号仍低于输入，这表明存在显著的系统损耗，特别是来自光栅耦合器的损耗。这些损耗需要在未来工作中进一步研究和优化。

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结论与未来工作

这项工作展示了一种微转印的InP基半导体光放大器，工作在2μm波长附近并直接键合到SOI波导线路上。该器件成功展示了自发和受激发射，虽然存在可测量的系统损耗。这一研究代表了实现短波红外区域全集成硅基光电子线路的重要一步。

未来工作将专注于解决热限制并增加驱动电流以实现更高增益。需要进一步优化耦合结构，特别是光栅耦合器，以减少系统损耗。这种使用微转印技术的集成方法为创建复杂的光电子集成线路提供了有效途径，结合了硅和III-V材料的优势，用于2μm波长波段的环境和生物医学传感应用。

参考文献

[1] Y. Arafat, S. Ghosh, C. Barbier, E. Russell, E. Pelucchi, F. Gunning, and B. Corbett, "Micro Transfer Printed Semiconductor Optical Amplifier at the 2 µm waveband onto SOI," in IEEE SiPhotonics 2025.

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