這一篇筆記聊一聊III-V與矽的混合內建。
由于Si是間接帶隙材料，發光效率低，是以矽光晶片的光源問題(矽光晶片的光源)成為了一個難點。這其中，III-V材料與Si的混合內建是一個重要的技術路線。III-V材料是直接帶隙材料，利用它來産生雷射，就可以解決矽光晶片的光源難題。
典型的工藝流程如下圖所示，
（圖檔來自文獻1）
首先在SOI材料上加工好所需的矽光器件，其次将未加工微結構的III-V外延片(wafer或者die)以一定的方式鍵合到矽光晶片上，接着去除III-V的襯底，并刻蝕出所需的雷射器結構以及其他有源器件，最終形成III-V與矽異質內建系統。典型的III/V-Si異質內建系統的截面圖如下圖所示，
(圖檔來自文獻2)
常見的鍵合工藝分為兩種：
1) 分子共價鍵鍵合 (molecular covalent bonding)
該方法在Si晶片與III-V晶片上分别生長出一層幾十納米厚的SiO2, 将兩者貼近，依靠分子間的範德瓦爾斯力，兩塊晶片就可以鍵合在一起。
2）粘接鍵合(adhesive bonding)
該方法主要使用一種有機物(DVS-BCB), 它的作用類似膠水，将矽晶片與III-V晶片粘接在一起。
IMEC與Ghent大學采用第二種工藝方案，其他科研機構或公司大都采用第一種技術方案，包括UCSB, Intel, III-V labs等。相比較而言，adhesive bonding工藝相對簡單，而共價鍵合方案制程稍微複雜一點，并且需要注意中間步驟産生的氣體問題。
在上述的工藝基礎上，進一步可以加工各種類型的雷射器，包括：1)FP雷射器，2）DFB, 3)DRB, 4) 可調諧雷射器。典型的雷射器截面如下圖所示，
（圖檔來自文獻3）
晶片上方為III-V的多量子阱(MQW)結構，有源區的材料一般為AlGaInAs或者InGaAsP。電泵浦産生的雷射模場與矽波導有重疊，通過taper型波導，将光場逐漸轉移到矽波導中。在有源區兩端刻蝕光栅結構，就形成了DBR雷射器；在有源區下方的矽波導刻蝕光栅結構，可以形成DFB雷射器，如下圖所示。
（圖檔來自文獻4和文獻5）
除了雷射器之外，人們也嘗試了在該異質內建系統上制作調制器、探測器、SOA等有源器件，這裡就不一一贅述了。矽基的調制器和探測器性能已經挺好，除非對信号速率要求非常高，一般的應用場景都能夠滿足要求。是以個人覺得，雷射器的研究才是重中之重，該系統中的其他有源器件有些雞肋。
Intel的矽光子產品正是采用的III-V/Si異質內建工藝，目前已經大批量生産。小豆芽比較關心的是，這種異質內建的雷射器良率大概有多少？其他量産矽光子產品的公司，大都采用分立的DFB雷射器，可見該方案的技術難度較大，需要較長時間的探索與積累。 除此之外，IMEC和CEA-Leti都在該領域有多年的研究積累，但是目前并沒有對外提供相關的MPW服務。難點還是在工藝。
文章中如果有任何錯誤和不嚴謹之處，還望大家不吝指出，歡迎大家留言讨論。
參考文獻:
- T. Komljenovic, et.al., "Photonic Integrated Circuits Using Heterogeneous Integration on Silicon", Proc. IEEE 106, 2246(2018)
- J. Bowers, et.al., "Realities and challenges of III-V/Si integration technologies", OFC 2019
- A. Fang, et.al., "Electrically pumped hybrid AlGaInAs-silicon evanescent laser", Opt. Exp. 14, 9203(2006)
- A. Fang, et. al., "A Distributed Bragg Reflector Silicon Evanescent Laser", IEEE Photon. Technol. Lett. 20, 1667(2008)
- H. Duprez, et.al., "1310nm hybrid InP/InGaAsP on silicon distributed feedback laser with high side-mode suppression ratio", Opt. Exp. 23, 8489(2015)