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在日常生活中，将一系列光电子功能集合在一块芯片上的光子集成电路越来越常见，它们被用于连接数据中心服务器机架的高速光收发器（包括用于提供本刊网站的光收发器）、保持自动驾驶汽车正常行驶的激光雷达、发现大气中化学物质的光谱仪，以及许多其他应用。所有这些系统都变得越来越便宜，并且在某些情况下，使用硅制造技术生产大部分集成电路也是经济可行的。

工程师们已经能够在硅光子芯片上集成几乎所有的重要光学功能，包括基本的调制和检测功能，但只有一种功能除外：光发射。硅本身无法有效地做到这一点，因此人们通常利用III-V族材料制成的半导体（以其成分在元素周期表上的位置命名）制造单独封装的组件来发光。

如果可以在设计中使用外部激光二极管，那就没有问题了。最近有几个因素促使工程师们将激光与硅光子学结合起来。例如，可能没有放置单独光源的空间。植入体内用于监测血糖水平的微型设备可能就会面临这个问题。或者，应用的成本可能要求进行更紧密的集成：当我们可以在一块硅晶圆上安装数百或数千个激光器时，相较于连接单独芯片的情况而言，最终的成本会更低，可靠性也更高。

倒装芯片集成

有一种简单方法可以在硅晶圆上直接集成激光，这是一种名为“倒装芯片处理”的芯片封装技术，从名字就可以知道它的原理。

芯片的电连接装置位于顶部，最上层的互连在金属焊盘处结束。倒装芯片技术依赖的是附着在这些焊盘上的焊料球。然后将芯片翻转，使焊料与芯片封装上的对应焊盘对齐（在我们的情况中，则是与另一块芯片对齐）。然后熔化焊料，将芯片连接到封装上。

将激光芯片与硅光子芯片结合在一起的概念与之相似，但要求更严格。边发射激光器会在晶圆上被完全加工，然后被切割成若干单独的芯片，并由供应商测试。然后，使用高精度的倒装芯片工艺，一次一块激光芯片，将单个激光芯片键合到目标硅光子晶圆上。这个方法的难点在于确保在边缘发射时，激光器的输出与硅光子芯片的输入一致。我们会使用一种名为“对接耦合”的工艺，将激光器置于硅的凹陷部分，使其横向邻接硅光子波导管的蚀刻面。

为了实现这一点，倒装芯片工艺需要在全部3个维度上都达到亚微米的对准精度。过去几年里，我们开发了专门的倒装芯片键合工具来完成这项工作，我们和合作者以及开发合作伙伴已经使用了它们来优化组装过程。通过使用一种利用机器视觉来保持精确对准的先进拾放工具，我们可以在几十秒内放置和键合激光器件，且精度超过500纳米。

2021年，我们还开发了一种晶圆级硅光子工艺来提高这种性能。这种工艺在硅芯片上添加了机械对准基座和蚀刻精度更高的对接耦合接口，以实现优于几百纳米的垂直对准。借助这些技术，我们在300毫米的硅光子晶圆上组装了某些激光器件。我们高兴地看到，来自每个器件的50毫瓦激光有多达80%被耦合到了它所连接的硅光子芯片中。即使在最坏的情况下，整个晶圆的耦合度仍然在60%左右。这些结果可与主动对准所实现的耦合效率媲美，主动对准是一种更耗时的工艺，该工艺利用来自激光器本身的光来引导对准过程。

微转印

微转印消除了对接耦合的一些对准困难，同时也加快了组装过程。与倒装芯片处理技术一样，光发射器件被置于III-V族半导体基板上。但二者有一个很大的区别：III-V族晶圆并没有被切割成若干单独的芯片。相反，晶圆上的激光器进行了底切，因此它们只能通过小系绳连接到源晶圆上。然后，一个像墨水印章一样的工具会将这些器件一同拾起，断开系绳。接下来，印模会将激光器与硅光子晶圆上的波导结构对准，并将其键合。

倒装芯片技术使用的是金属焊料凸点，而微转印技术使用的是粘合剂，甚至可以只使用分子键合，依靠两个平面之间的范德华力来将激光固定到位。此外，硅光子芯片中的光源和波导管之间的光学耦合会通过另一种不同的过程发生。这一过程称为“倏逝波耦合”，它会将激光放置在硅波导结构的顶部，然后光线会“渗入”其中。虽然这种方式转移的功率较小，但倏逝波耦合要求的对准精度低于对接耦合。

这种技术具有更高的对准容差，因而能够同时转移数千个器件。因此，原则上，它的产量应该高于倒装芯片工艺，并且非常适合需要每单位面积集成大量III-V族元件的应用。

尽管转印是制造microLED显示器的既定工艺，例如许多增强现实和虚拟现实产品所需的显示器，但这种技术还没有准备好用于打印激光器或光学放大器。我们正在努力实现这个目标。

芯粒-晶圆键合

在我们讨论的这两种技术中，将发光元件与其硅光子伙伴进行精确对准是关键的一步。但有一种技术找到了解决这个问题的办法，它就是III-V族硅晶圆键合。该方法不是将已经构建的激光器（或其他发光元件）转移到处理过的硅晶圆上，而是将III-V族半导体的空白芯粒（甚至小晶圆）键合到硅晶圆上。然后，在相应的硅波导管的位置上方构建所需的激光器件。

在被转移的材料中，我们只对晶体III-V族材料的薄层感兴趣，该层称为“外延层”。因此，在与硅晶圆键合后，剩余的材料会被移除。可以使用标准光刻和晶圆级处理工艺在外延层（与下层的硅波导管对准）中制造激光二极管。然后蚀刻掉任何不需要的III-V族材料。

这种方法是英特尔工程师在过去10年间开发的，光收发器就是第一款使用它打造的商业产品，于2016年推出。这种方法可以实现高产量集成，因为它能够同时并行处理许多器件。与转印一样，这种方法在III-V族和硅材料之间使用了倏逝波耦合，能产生高效的光学界面。

单片集成 

将所涉及的两种不同材料结合在一起的理想办法是直接在硅上生长III-V族半导体，这种方法称为“单片集成”。这种方法不需要键合或对准，并可减少III-V族材料的浪费。但要使这一策略切实可行，还需要克服许多技术障碍。因此，Imec等研究机构还在继续朝着这一目标开展研究。

这项研究的主要目的是创造低密度缺陷的晶体III-V族材料。其根本问题在于，硅中原子的晶格间距与相关III-V族半导体中原子的晶格间距相当不匹配，超过了4%。

由于这种晶格失配，生长在硅上的每个III-V族层都产生了应变。只添加几纳米的III-V族薄膜，晶体就会开始出现缺陷，释放出累积的应变。这些“错配”缺陷会沿着穿透整个III-V族层的线形成。缺陷包括开放的晶体键线和局部晶体畸变，这两种情况会严重降低光电子器件的性能。

为了防止错配缺陷彻底损坏激光器，必须将它们限制在远离激光器的位置。因此，通常需要铺设一层几微米厚的III-V族材料，在下面的缺陷和上面的无应变区域之间形成一个巨大的缓冲区，然后在该区域制造激光器件。加州大学圣芭芭拉分校的研究人员报告称，这种方法取得了出色的进展，证明了高效砷化镓基量子点激光器具有良好的可靠性和寿命。

不过，目前这些实验只是小规模实验，难以将这项技术扩展到行业使用的200或300毫米晶圆。添加厚缓冲层可能会产生各种机械问题，例如在III-V族薄膜内部形成裂纹或晶圆弯曲。此外，由于有源器件位于厚缓冲层之上，因此将光与硅基板的下层波导管进行耦合颇具挑战。

为了规避这些挑战，Imec引入了一种称为“纳米脊工程”（NRE）的单片集成新方法。该技术旨在将缺陷的形成囿于一个有限的空间中，从而得以在与底层硅交界的上方100纳米多的地方构建工作器件。

纳米脊工程利用一种称为“纵横比陷阱”的现象将缺陷限制在了较小的区域。它首先在二氧化硅绝缘体层内形成了窄而深的沟槽。在绝缘体与硅相遇的沟槽底部，在硅上切入一个凹槽，让空隙的横截面变成箭头形状。然后在沟槽内生长一层薄薄的III-V族晶体，应变引起的失配缺陷会被有效困在沟槽侧壁，防止这些缺陷线进一步渗透。沟槽被填充后，生长会继续在沟槽上方形成更大的III-V族材料纳米脊。纳米脊中的材料完全没有缺陷，因此可以用于激光器件。

硅激光器的前景

未来几年，文中讨论的每一种方法肯定都会进一步发展。我们预计它们最终将共存，满足不同的应用需求和用例。

倒装芯片激光器组件相对适中的安装成本和准备状态将使近期产品的推出成为可能。该方法对于每个光子集成电路仅需一个或几个激光器的应用特别具有吸引力，例如数据中心使用的光收发器。此外，这种方法固有的灵活性也使其对需要非标准激光波长或罕见光子技术的应用而言具有吸引力。

对于每个光子集成电路需要多个激光器或放大器的大容量应用，转印和芯粒晶圆键合方法则可实现更高的制造吞吐量、更小的耦合损耗，以及进一步降低成本的可能性。因为安装成本高得多，所以适合这两种技术的应用必须有很大的市场。

最后，硅上的直接III-V族外延附生（如纳米脊工程技术）代表了激光集成的最终水平。我们和其他研究人员必须在材料质量和晶圆级集成方面取得进一步进展，才能释放其潜力。