W2W&D2W键合——三五族量子点激光器+碳化硅

上海奥麦达微电子｜微纳加工

热量积约聚梗阻半导体激光器推崇其全部后劲。这不错通过将 III-V 激光堆栈异质集成到具有高热导率的非原生基板材料上来束缚。在这里，咱们展示了异质集成在碳化硅 (SiC) 基板上的 III-V 量子点激光器，具有高温领路性。在接近室温的情况下，T0 为 221 K，相对不受温度影响，而激光放射可保管在 105。C 独揽。SiC 平台为达成光电子、量子和非线性光子学的单片集成提供了稀奇而理念念的候选者。

划重心

从目下咱们看到的

单材料波导平台：sicoi,lnoi,ltoi,InGaPOI

异质集成平台：sin/soi-lt/ln

三五和无源波导集成平台：inp/gaas-soi/sin QD LD--SIC

上述三种平台无疑都用到了先进的键合开荒，名义活化键合（键合气泡少，可用面积多）和D2W键合，同期上述两种开荒时刻较为先进，采购价钱较贵（几百到上千万），国内好多平台，单元，学校都还莫得，因此咱们不错看到，欧洲和好意思国在光子学异质集成光子学畛域蜕变泛滥成灾，同期也出现了好多基于异质集成光子学时刻的初创企业，国内也有一部分异质集成光子学企业，但大多也为海外回国东谈主才创建。

为了束缚这个问题，(名义活化键合和D2W芯片对晶圆键合，尤其适用无源波导上异质集成三五族激光器)

小编为大家提供多材料（InAlAs,Inp,InGaAs,inp,gaas,铌酸锂，晶体，碳化硅，磷化铟，砷化镓，钽酸锂，碳化硅，氮化镓，砷化镓，氮化硅，等等等等）和多材料键合加工，离子注入，抛光煎薄的全进程 全产线，自主可控复合衬底加工，您收到咱们的衬底后，不错基于我地契元的平台进行后谈的刻蚀工艺的开发。

同期不错提供两类工艺

键合不错亲水键合+退火或者室温名义活化键合+改性层或者D2W芯片和晶圆键合

薄膜层的取得不错通过smartcut离子注入（厚度戒指精确，膜层有毁伤）+退火cmp或者机械减薄+cmp（厚度戒指不精确，但是膜层没毁伤）

三五外延衬底层的去除不错使用湿法工艺去除，基于此平台，您不错作念

多材料间的异质集成蜕变，

要是念念要了解更多不错有关小编

简介。III-V 外延材料与非原生衬底的异质集成有可能创造出与之前仅使用 III-V 材料演示的器件性能调换或更好的器件。比年来，由于 CMOS 兼容平台的低老本和可扩展制造后劲，买卖化出息鼓励了硅和绝缘体上硅 (SOI) 晶圆上的异质集成 [1]。然则，其他具有故意热或光学特质的潜在非原生衬底材料仍未得到充分探索。

III-V 量子点 (QD) 激光器是异质集成的一个止境根由的候选材料，因为它具有比量子阱 (QW) 激光器固有的结构上风，包括超卓的颓势容忍度和光学增益的热领路性 [2–4]。除了浅易的法布里-珀罗腔激光器所具有的超卓性能外，QD 有源区还大要开发复杂的光子光源，举例微环激光器 [5]、散播式反馈 (DFB) 激光器 [6-8]、耦合腔可调激光器 [9] 和光子晶体激光器 [10]。

在原生衬底上孕育的 QD 激光器受到 III-V 平台的热性能和制造拘谨的截止，举例较低的加工温度和与硅基无源元件的不兼容性。尽管异质外延生万古刻取得了巨猛进展，但在硅衬底上径直单片孕育 III-V 材料的捏续英勇尚未达到原生孕育器件的性能 [3,4,11]。比较之下，异质集成治安不错将功能皆全、高性能的原生孕育 QD 激光器扬弃在与其他关节光子元件兼容的非原生衬底上。最近，异质治安创造了与硅基片联接的高速 DFB QD 激光器的记载 [7,8]。QD 激光器的得手转动标明异质集成光子器件的制造治安得到了相应的改造。下一步天然是将 QD 激光器引入其他非原生平台，从而有可能普及器件和芯片级性能。

集成光子时刻的发展鼓励了对高功率光源的需求，这些光源不错密集地封装在小体积内。止境是，电信数据中心的互连需要光学器件和电子器件考究地共封装在一谈。这些组合开荒在运行过程中会产生大都热量；举例，单个专用集成电路 (ASIC) 交换机的功耗可能卓著 200 W [12]。高开荒密度的激光芯片内热负荷的加多会改变光输出、责骂性能并裁汰开荒的合座寿命。这就需要在高封装密度和灵验的激光性能之间作念出衡量，而这又给将光子光源应用于物理空间有限的应用带来了相配大的艰苦。

不错使用基板行动散热器来疲塌热积蓄，但这种治安的灵验性取决于基板材料的热导率。与 300 K 时热导率为 0.55 W/cm·K 的原生 GaAs 衬底 [13] 和 300 K 时热导率为 1.3 W/cm·K 的未掺杂硅 [14] 比较，SiC 在 300 K 时具有令东谈主印象深化的 4.9 W/cm·K 高热导率 [15]。此外，SiC 具有高击穿电压 (3 × 106 V/cm) [16]、高光学毁伤阈值 (80 GW/cm2 ) [17] 以及二阶 (30 pm/V) 和三阶 (10−18 m2/W) 非线性效应 [18,19]，这些使 SiC 平台成为多组件集成的稀奇而理念念的候选者。

前驱性责任提议了 SiC 光子学平台上的 III-V 族元素，其中 InP 和 InGaAsP 波导被得手转动到块状 SiC 衬底上 [20]。对与 SiC 键合的 III-V 族元素的进一步表征标明，与硅或 SOI 衬底比较，SiC 上 InP 薄膜的散热性能普及了 9 倍，而况热应力责骂了 [21]。尽管东谈主们对异质键合硅平台上 III-V 族激光器的特质进行了平方的有计划 [1,22,23]，但关于集成在 SiC 衬底上的 III-V 族激光器的有计划却很有限。最近在膜器件处理方面的有计划标明，在径直调制下责任的 SiC 衬底上的膜激光用具有直爽的高速性能 [24]。初步责任还标明，SiC 平台大要分娩光子晶体 [25]、非线性微谐振器 [19] 和用于量子策划的长干系自旋颓势光子学 [19,26]。估计将来，需要对将 III-V 族激光器异质集成到 SiC 上的责任进程进行全面的有计划。

在本有计划中，咱们使用芯片级异质集成将 InAs QD 激光器键合到高热导率 SiC 衬底上。这些法布里-珀罗激光器在室温下放射 O 波段的激光，最高可保管 105°C 的激光放射，相对而言对温度不解锐的特征温度 T0 为 221 K。此外，这些器件在阈值电流密度低至 223 A/cm2 时即可入手放射激光。天然这是 SiC 上 QD 激光器的初度演示，但在输出功率水平方面仍有很大的改造空间，但不错在将来的迭代中通过修改光学神态散播和 QD 有源区来束缚这一问题。这些激光器的低阈值电流密度和对温度不解锐的性能标明，导热 SiC 在将来激光应用中具有很高的后劲。

分子束外延 (MBE) 用于在原生 (001) GaAs 衬底上孕育 III-V 激光结构。该结构对准波长为 1300 nm 的 O 波段内增益光谱的中心。图 1 流露性地显露了外延结构。(001) GaAs 衬底上掩饰有 500 nm Al0.8 Ga0.2As，该层将在键合后被去除。器件堆栈从上到下具有以下结构：400 nmp-GaAsp 战役、50 nmp-AlxGa(1-x)As 从 x = 0 渐变到 0.4、1.4 μm p-Al0.4 Ga0.6Asp 包层、20 nm p-AlxGa(1-x)As 从 x = 0.4 渐变到 0.2、30 nm p-Al0.2 Ga0.8As 单独截止异质结构 (SCH)、InGaAs QW增益介质中五次重叠的 InAs QD，其中 p 调制掺杂的 GaAs 断绝层掺杂水平为每 QD 10 个孔、30 nm n-Al0.2 Ga0.8As SCH、150 nm n-GaAs n 包层，以及轮流的 10 nm n-Al0.3 应变层超晶格 (SLS) Ga0.7As/n-GaAs. SLS 可赔偿键合后 III-V 族和 SiC 衬底之间的晶格失配产生的应力。

图 1. 从键合晶圆到完整器件的加工设施。(a) SiC 衬底。(b) 在键合之前蚀刻衬底以创建垂纵贯谈 (VC)。使用扫描电子显微镜对顶视图进行成像。(c) 在原生 GaAs 上外延孕育的 III-V 激光堆栈与 SiC 衬底键合。(d) 界说和蚀刻器件台面，从而变成激光材料结构。(e) 完整激光器的横截面流露图、扫描电子显微相片以及模拟的光学神态归一化强度散播。

启动衬底是市售的半绝缘 2 英寸 6H-SiC (0001) 晶片，掺杂钒至供应商指定的电阻率卓著 105 Ω·cm。簇新的 SiC 晶片通过在顶名义上干蚀刻出网格状的垂纵贯谈 (VC) 图案（两个所在的间距均为 50 μm），准备进行键合，如图 1(a) 和 1(b) 所示。该干蚀刻是通过使用 SF6 气体的电感耦合等离子体 (ICP) 反映离子蚀刻 (RIE) 完成的。在键合之前，先用 N-甲基-2-吡咯烷酮 (NMP) 溶液对原生 III-V 材料和 VC 图案化的 SiC 晶片名义进行准备，然后进行氧等离子体灰化和食东谈主鱼酸清洗。在原生 GaAs 上孕育的 III-V 激光堆栈通过 3 nm SiO2 夹层倒装键合到 SiC 晶片上，随后在 100。C 下退火 18-24 小时以开释键合后的残余应力 [图 1(c)]。复原到室温后，衬底和键合膜之间的热扩张所有相反导致 III-V 堆栈产生拉伸应变。SiC/III-V 界面中的 VC 图案可使键合设施中拿获的任何气体在后续处理阶段中逸出。键合后，在衬底去除设施中抛光掉 GaAs 孕育晶片和 AlGaAs 缓冲层。

使用光刻和两步 Cl2/N2 干法蚀刻对启动激光详尽进行图案化。第一次干法蚀刻界说 p 台面和激光面，而第二次蚀刻创建更宽的 n 台面 [图 1(d)]。沿 n 型台面千里积 Pd/Ge/Au/Ti 战役金属。用溅射 SiO2 钝化该结构。再用 CHF3/CF4 进行干蚀刻，在 SiO2 上打绽开孔，掩饰 n 型台面和 p 型台面。然后在 p 型台面上千里积 Pd/Ti/Au/Pd/Ti 战役金属，在合成气体中以 300◦C 的温度进行 60 秒的快速热退火 (RTA)，然后使用等离子增强化学气相千里积 (PECVD) 千里积第二层 SiO2 钝化层。终末，在 CHF3/CF4 中干蚀刻 n 型战役和 p 型战役通孔以翻开第二层钝化层，并在器件上千里积最多 1.5 μm 的极端 Ti/Au 探针金属，以便在特质分析时候进行电注入[图 1(e)]。这慑服了咱们之前在硅上开发异质激光器时所用的优化制造治安[7]。在通盘这个词制造过程中，样品温度最高截止在 300◦ C，以责骂粘合材料发生热致应变或开裂的风险。完成通盘制造设施后，将芯片切割并抛光成法布里-珀罗激光器条。全系列器件包括长度 1500 μm 至 2500 μm 的尺寸和 p 台面宽度从 1.5 μm 到 3 μm 不等的宽度。图 1(e) 显露了 3 μm 台面器件光学神态的电场强度散播。

图 2. (a) 责任台温度为 20°C 至 105°C 时，皆集波 (CW) 操作时候的光-电流-电压 (LIV) 特质。插图：阈值电流在 20°C 和 40°C 之间具有特征温度 T0 = 221 K。(b) 在 20°C 恒温或 100 mA 恒定注入电流下，1500 μm x 3 μm 器件的基态峰因热和注入电流引起的光谱红移。(c) 在 100 mA 注入电流下，(b) 中器件在不同温度下的光谱。

赶走。在皆集波 (CW) 电注入下，在控温台上测量 SiC 上的异质 QD III-V 激光器。两个激光面都是干蚀刻名义，莫得施加任何极端涂层。积分球在光-电流-电压 (LIV) 测量时候汇聚光学器件输出。将器件输出通过透镜光纤耦合到光谱分析仪 (OSA) 进行光谱测量。

在 20。C 时，激光阈值发生在注入电流密度低至 233 A/cm2 时。在 CW 操作中，芯片上通盘器件的最大基态功率畛域高达 20 mW。图 2(a) 显露了尺寸为 2500 μm x 2.5μm 的器件在 20。C 至 105◦ C 的台面温度条款下的光-电流 (LI) 特质，在此畛域内明显存在明显的激光阈值电流。在较高温度下，激光神态隐匿，非干系光输出标明纯发光二极管 (LED) 行为。在 20°C 和 200 mA 注入电流下，该器件的电阻为 2.6 Ω，电插头成果 (WPE) 为 0.4%。

市售的原生 GaAs 衬底上的 InAs QD 激光器的最大激光温度规格在10°C 和 200°C 之间 [27]，论述赶走高达 220°C，特征温度 T0 = 170 K [28]。在非原生硅衬底上，据报谈，具有等效 p 调制掺杂的五层 InAs QD 法布里-珀罗激光器在皆集波操作下的最大激光温度为 36°C 至 119°C [29]。最近，硅衬底上的 T0 = 167 K 已达成，最大激光放射温度约为 110°C [30]。尽管由于光学增益有限，SiC 激光器的最大温度较低，但与原生 GaAs 和非原生硅衬底比较，221 K 的较高 T0 标明温度明锐性责骂。硅衬底激光器从出身到老练所展示的责任温度改造标明，任何新平台都具有向上的斜率，这标明通过进一步有计划，SiC 激光器的性能有改造的后劲。

在 20°C 圭臬操作时候，激光峰出当今 1290 nm 和 1305 nm 之间。基态连续以 1300 nm 为中心，第一激励态出当今 1295 nm 处。在不同温度下取得的光谱和固定注入电流 100 mA 标明，在不同温度下追踪覆没峰值时，热红移为 0.106 nm/°C。在固定温度20。C和变化的注入电流下拍摄的光谱标明，当通过电流追踪覆没峰值时，电流驱动的红移为5.64 nm/A[图2（b）]。

当注入电流卓著阈值时，这些器件的放射光谱会显败露两个或更多个不同的峰值。在图 2(c) 中，在恒定注入电流 100 mA 下将温度从 20°C 变为 45°C 会产生两到四个峰值。议论到法布里-珀罗器件的假想，目下尚不通晓光谱为何会显败露许多疏淡的峰值，但这可能流露来自侵扰激光腔或面镜的光学颓势的不测里面反射。如图 1(e) 所示，这些 SiC 上 III-V 器件的面在成像时看起来好意思满无损。然则，多峰光谱可能标明需要进一步改造工艺以优化器件的几何步地和反射率。

论断。

SiC 衬底是 QD 激光器异质集成的理念念候选者，这收货于其高固有热导率，以及照旧在 SiC 平台上建设的非线性和量子策划时刻的普及。在本有计划中，咱们标明 InAs/GaAs QD 激光器不错通过倒装芯片键合得手转动到 SiC 衬底上。SiC 键合激光器达成了 233 A/cm2 的低激光阈值电流密度和直爽的热特质。221 K 的高 T0 流露在室温隔壁责任时对热不解锐，激光器责任温度最高可达 105。C。该法布里-珀罗激光器演示展示了在 SiC 平台上达成 III-V 光源集成的初步得手。

进一步开发键合工艺和测试开荒可靠性关于达成与首先进的硅衬底上 III-V 异质集成相配的性能至关紧要。通过优化的键合标准，SiC 平台将大要将 III-V 光源与更多时刻特定应用集成，举例用于电信的 DFB 或梳状激光器。本有计划在 SiC 平台上得手演示了键合量子点激光器，这是朝着这一指标迈出的第一步，为将来的集成光子时刻奠定了基础，这些时刻不错诈欺 SiC 材料特质来增强片上光源的性能。

除了诈欺 SiC 平台改造的热导率以外，进一步的扩展还包括将这些量子点激光器与 SiC 平台特有的非线性谐振器和量子策划时刻相联接。举例，DFB 激光器不错达成对 SiC 中自旋颓势量子位的径直片上戒指。总体而言，在现存的量子策划系统中添加异质 III-V 组件不错交融针对每个平台优化的开荒的上风。这反过来又促进了光子电路的发展，其中通盘必要的组件都共存于单个芯片中。