使用微转印技术将量子点器件集成到硅基光电子芯片上

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引言

硅基光电子（SiPh）已成为创建紧凑、成本效益高且高度可扩展的光子线路的领先技术，该技术利用了CMOS技术的进步。虽然SiPh平台已经显着成熟，可实现低损耗波导、滤波器和调制器，但仍面临一个根本性限制：硅的间接带隙阻碍了高效光发射，使得片上光源和光放大器的集成成为挑战。本文探讨了微转印技术如何通过将预制的InAs/GaAs量子点（QD）有源器件集成到硅基光电子线路上来解决这一挑战[1]。

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硅基光电子的挑战

SiPh平台已取得显着进步，提供低损耗硅和氮化硅波导、WDM滤波器和高效耦合器。现代平台支持超过56 Gbps的高速调制器和高性能锗光电探测器。然而，一个关键限制仍然存在：硅的间接带隙使其无法进行高效光发射，这对光子系统非常重要。

此外，当光信号穿过芯片上的多个组件时，会经历显着衰减，因此需要片上光放大器。更进一步，硅缺乏光学隔离器和环行器所需的磁光效应，这些器件对防止可能使激光器运行不稳定的反射至为重要。

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微转印：集成解决方案

微转印（μTP）通过将非原生器件的制造与SiPh平台分离，为这些挑战提供了优雅的解决方案。这种方法具有以下优点：

• 在500 nm范围内的高对准精度
• 高通量集成能力
• 高密度集成（每个reticle上数千个器件）
• 适用于中等量生产的成本效益
  

在这种方法中，标准化的InAs/GaAs量子点有源器件在源晶圆上预先制造，然后选择性地转移到目标SiPh芯片上的特定区域，以创建各种功能组件，如半导体光放大器（SOA）、分布反馈（DFB）激光器和宽可调谐激光器。

图1：量子点器件集成到硅基光电子芯片上的整体流程，包括器件制造、释放、转印和集成步骤。

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GaAs量子点有源器件的预制造

制造过程始于使用感应耦合等离子体（ICP）刻蚀在外延晶圆上定义GaAs台面，随后进行金属沉积。然后，台面被介电层封装并用苯并环丁烯（BCB）平整化。为准备转移，器件使用HCl溶液进行选择性湿法刻蚀以去除AlGaAs牺牲层，留下悬浮在衬底上方的量子点器件，由光刻胶支柱支撑。

图2：量子点器件阵列和成功转印到SiPh芯片上的器件的光学显微镜图像。

这些光刻胶支柱在释放过程中起着关键作用，固定量子点器件，提供更好的顺应性并最小化机械应力。支柱设计平衡了提供足够支撑与确保在拾取过程中易于分离的需求。

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在硅基光电子平台上的集成过程

SiPh目标芯片制造时带有专门设计的凹槽，用于容纳GaAs量子点器件。为确保适当的键合，这些凹槽填充了一层薄的BCB粘附层。使用X-Celeprint MTP100实验室级打印机，量子点器件通过PDMS印章拾取并精确定位到指定凹槽中，定位对准误差小于500 nm。

转移后，BCB在280°C完全固化以确保牢固键合，随后进行标准化金属化以形成GaAs量子点器件与芯片上电极之间的电气连接。

图3：集成到硅基光子波导平台上的量子点器件的横截面视图，显示了耦合结构和光学模场分布。

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半导体光放大器性能

集成的量子点硅基SOA在温度可控的平台上进行了表征。SOA表现出优异的电气特性，在20°C至50°C的温度范围内，微分电阻从3.89 Ω变化到3.73 Ω。这种低电阻使高电流注入与最小自热效应成为可能，这对高功率操作至关重要。

片上增益测量显示，在20°C时，在1299 nm波长处达到最大增益7.51 dB。随着温度升高到50°C，增益降低到4.03 dB，峰值增益波长从1299 nm红移到1314 nm。这种红移发生是因为量子点有源区的带隙随着温度升高而近似线性减小。

SOA在广泛的输入功率范围内保持稳定性能，特别是对于低于-5 dBm的输入功率，增益保持一致，不受输入功率影响。

图4：SOA性能参数，包括电流-电压特性、片上增益谱以及在不同偏置电流下输出功率随输入功率的变化。

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DFB激光器性能

集成的量子点硅基DFB激光器展示了令人印象深刻的性能特征。激光器在驱动电流超过70 mA时开始激射，在20°C、230 mA时达到最大波导耦合输出功率19.7 mW。在更高温度（40°C）下，峰值光功率降至216 mA时的14.1 mW，并且由于热效应，在更高电流下功率开始下降。

光谱测量显示高达33 dB的优异边模抑制比（SMSR），表明高光谱纯度。随着偏置电流从100 mA增加到230 mA，激光器的线宽从2.05 MHz减小到803.6 kHz。这种线宽减小是因为更高的受激发射导致相位噪声降低。

相对强度噪声（RIN）测量显示了优异的噪声性能，在20°C下，随着驱动电流从120 mA增加到220 mA，RIN从-137.9降低到-149.6 dB/Hz。这些低RIN值远低于30 Gbps数字链路所需的-125.0 dB/Hz阈值。

图5：激光器电流-电压特性、输出功率、光谱以及在各种驱动电流下的频率噪声谱。

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宽可调谐激光器性能

集成的量子点硅基宽可调谐激光器利用两个具有略微不同直径（60和63 μm）的热可调微环谐振器，实现了广泛的波长可调性。这些激光器展示了从1280.6 nm到1315.7 nm的波长调谐范围——超过35 nm——同时在整个调谐范围内保持约40 dB的高SMSR。

激光器表现出80 mA的阈值电流，微分电阻小于3 Ω。在20°C时，波导耦合输出功率达到3.6 mW。

图6：宽可调谐激光器在其调谐范围内的电流-电压特性、输出功率和光谱。

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对光反馈的稳健性

量子点基激光器的一个显着优势是与量子阱结构相比，对光反馈的敏感性降低。这主要归因于其低线宽增强因子（αH）和高阻尼率，共同最小化了相位噪声和强度噪声之间的耦合。

集成的DFB激光器对外部光反馈表现出显着的稳健性。即使在高达-16.5 dB的反馈水平下，RIN仍保持在-125.0 dB/Hz以下，足以支持30 Gbps通信。误码率（BER）测量进一步确认了这种稳健性，即使在高反馈条件下，也仅观察到最小的BER降级。

图7：在不同反馈水平下DFB激光器的测量RIN谱，展示了即使在显着光反馈下激光器性能的稳定性。

图8：有无光反馈条件下接收功率与误码率的关系，展示了量子点激光器对外部反射的稳健性。

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结论

使用微转印技术将InAs/GaAs量子点有源器件成功集成到硅基光电子平台上，代表了解决硅基光电子限制的重要进展。集成的器件——SOA、DFB激光器和宽可调谐激光器——表现出优异的性能特征，SOA实现7.5 dB的增益，DFB激光器产生高达19.7 mW的输出功率，SMSR为33.3 dB，可调谐激光器提供超过35 nm的波长调谐范围。

值得注意的是，这些器件的量子点结构提供了对光反馈的固有稳健性，在某些应用中可能消除集成光学隔离器的需求。这种方法有效地将III-V器件的制造与硅基光电子工艺分离，实现了后端集成，为能够支持高速、高容量光通信的完全集成的光电子系统提供了可行途径。