用于多材料III-V族材料向硅光子激光器再生的氢释放InP/Si模板

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Hydrogen-relieved InP/Si templates for multi-material III–V regrowth toward silicon photonic lasers

硅基光子激光的InP/Si键合技术与氢释放工艺研究。采用O2等离子体激活的Al2O3中间层键合InP薄膜，并在Si基板与Al2O3层间插入500nm孔径SiO2缓冲层实现氢气有效扩散，成功抑制了外延再生过程中的氢致 blistering和表面破裂，使InGaAs和InAlAs层实现晶格匹配高质量外延，并构建了C波段InAlGaAs多量子阱结构。实验表明该模板具有良好重复性和兼容性，为硅基光子激光集成提供了新途径。

　　

HoSung Kim

韩国大田电子通信研究院（ETRI）光通信组件研究部门，邮编34129

摘要

我们报道了一种无需植入的InP/Si键合方案，该方案能够在硅基板上实现C波段激光结构的多材料III-V族化合物的晶片级再生。通过使用O₂等离子体激活的晶片键合技术，并在界面处添加超薄Al₂O₃中间层，将一层薄的InP薄膜转移到硅模板上。为了抑制键合后退火和金属有机化学气相沉积（MOCVD）再生过程中由氢引起的起泡现象，在Si基底和Al₂O₃键合层之间插入了一层500纳米厚的多孔SiO₂层，为H₂提供了有效的扩散路径。如果没有这层SiO₂，再生的InGaAs薄膜会出现严重的表面破裂和内部空洞；而经过改性的模板则能够生成无起泡、晶格匹配的InGaAs结构，具有光滑的表面形态、窄的X射线衍射（XRD）线宽以及强的光致发光（PL）特性。通过将再生温度优化至600℃并使用InGaAs校准层，我们进一步证明了在同一模板上可以再生出高质量的、晶格匹配的InAlAs。最后，我们在InP/Si模板上实现了由InAlAs分离限制层和1.24层四元（Q）InGaAsP刻蚀停止层组成的C波段InAlGaAs多量子阱（MQW）结构。截面透射电子显微镜观察显示界面清晰，层厚均匀；高分辨率XRD检测到明确的MQW卫星峰以及Si基底峰；室温下的光致发光实验也证实了MQW和InGaAsP层在1.5–1.6 μm波长附近具有强发光特性。这些结果表明，采用氢释放技术的InP/Si模板为硅基光子激光器的晶片级多材料III-V族化合物再生提供了一个稳健的平台。

引言

高性能计算系统和云数据中心的数据流量快速增长，使得传统的铜基电气互连技术已接近其物理和能源极限。在多厘米长的电路板及背板上，铜导线的电阻性和电容性负载会导致严重的衰减、符号间干扰和延迟，而均衡和SerDes电路又会进一步增加功耗，从而成为处理器、内存和交换机之间的根本性数据瓶颈[1,2]。硅光子学通过提供低损耗波导、密集的波分复用（WDM）以及与CMOS兼容的大规模集成技术，为克服这一瓶颈提供了有前景的途径。虽然已在硅基板上实现了无源波导、高速调制器和敏感的光电探测器，但由于硅的间接带隙和较差的辐射效率，仍缺乏高效、电驱动的片上光源[3]。因此，目前大多数硅光子系统依赖于通过光纤或光栅耦合器连接的片外III-V族激光器，这种耦合方式通常会导致每个接口几dB的损耗，并需要精确的对准，从而增加了封装成本并复杂化了晶片级测试[4,5]。

为了解决这一问题，人们主要采取了两种实现硅基激光器的方法：将III-V族芯片异质键合到硅波导上[6]，以及直接在硅上外延生长III-V族增益介质[6]。其中，直接在硅上生长的O波段InAs/GaAs量子点（QD）激光器取得了显著进展[7]，这得益于量子点的缺陷容忍度和温度稳定性[8],[9],[10]。目前，基于硅的连续波1.3 μm QD激光器通过精心设计的GaAs缓冲层和位错过滤层，已经实现了低阈值电流密度、高斜率效率和长寿命[11,12]。

相比之下，将直接生长技术扩展到C波段要困难得多。要实现1.55 μm波长，基于GaAs或InP的MQW/QD结构通常需要几微米厚的变形或高度应变的缓冲层来桥接与硅的晶格失配[13,14]。这些厚缓冲层往往会导致高达10⁷–10⁸ cm^?2的位错密度，从而导致晶片弯曲、裂纹形成、串联电阻增加以及热管理性能下降，这些因素都限制了器件的可靠性，并使得与硅波导和CMOS后端工艺的集成变得复杂[15],[16],[17]。因此，尽管基于硅的O波段InAs/GaAs QD激光器已接近器件级性能，但在硅上实现实用的C波段直接生长方案仍然面临挑战，因此需要寻找替代策略来获得低损耗的C波段光源。

基于薄膜转移技术的晶片级InP-on-Si基底成为替代厚异质外延缓冲层的强大方案。Sun等人最近通过结合离子切割工艺和表面激活键合（SAB）技术，在硅上制备出了高功率的连续波1.55 μm AlGaInAs MQW激光器，首先形成InP-on-Si（InPOS）基底，然后通过MOCVD技术再生MQW结构[18]。他们的器件表现出创纪录的低阈值电流密度、超过150 mW的单面连续波输出功率，以及高达120℃的连续波工作温度，展示了薄膜InP转移结合再生的通用性作为C波段硅基光源的潜力。一旦在硅上制备出高质量的InP薄膜，就可以利用选择性区域生长（SAG）技术局部调节带隙、应变和厚度，从而在同一层薄InP基底上集成多种III-V族材料和功能，减少III-V族基底的消耗并实现多功能光子集成[19]。

然而，离子切割/SAB方法在大规模应用中存在实际限制。用于定义分离层的高剂量H⁺/He⁺植入会在转移的InP薄膜中引入晶体损伤和残余缺陷，这些缺陷需要通过仔细的退火和抛光来消除。此外，在植入、键合以及随后的高温再生过程中产生的氢气可能会在埋藏的界面处积聚，导致起泡、空洞和局部分层——这些问题在直径较大的晶片上以及经过多次高温循环后会更加严重。因此，亟需一种无需植入的键合方案，能够在硅上制备出薄而高质量的InP薄膜，并在再生过程中有效控制氢的扩散。

在这项工作中，我们开发了一种无需植入的InP/Si键合平台，并展示了在硅上实现C波段InAlGaAs MQW的晶片级、晶格匹配再生。通过使用O₂等离子体激活的晶片键合技术，并在界面下添加一层500纳米厚的湿法热生长SiO₂层作为氢释放层，为键合和后续MOCVD再生过程中产生的H₂提供有效的扩散路径。在这个氢释放的InP/Si模板上，我们首先建立了InGaAs和InAlAs的晶格匹配再生条件，然后利用校准好的前驱体流实现了C波段InAlGaAs MQW活性区域。如补充表S1所总结的，本研究方法的特点在于无需植入工艺、使用标准的湿法热氧化层而不需要沟槽制作或特殊的多孔结构，并且能够实现多次多材料III-V族化合物的再生。通过结合薄膜InP转移、氢释放键合和高质量的C波段MQW再生，该平台直接解决了厚缓冲层直接生长的关键限制，为在硅平台上集成C波段III-V族增益介质提供了实用途径。

实验部分

实验

图1总结了InP-on-Si基底的制备过程及后续再生结构的流程。首先，在2英寸的InP基底上通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术生长了200纳米厚的InGaAs刻蚀停止层和150纳米厚的InP覆盖层，如图1(a)所示。所有在InP/Si模板上的外延再生过程，包括InGaAs和InAlAs校准层以及InAlGaAs MQW激光结构，都是在AIXTRON交叉耦合喷头设备中完成的。

结果与讨论

图2研究了再生过程中氢气释放对键合InP/Si模板的影响。当仅使用Al₂O₃界面层将薄InP薄膜直接键合到裸露的硅基底上时（如图2(a)所示），随后进行的300纳米InGaAs层的MOCVD再生会导致严重的表面退化。在O₂等离子体激活的Al₂O₃–Al₂O₃键合过程中，表面羟基会发生如下缩合反应：Al–OH + Al–OH → Al–O–Al + H₂O,2Al–O–Al + H₂O → Al₂O₃ + H₂

结论

在这项工作中，我们开发并验证了一种适用于硅基光子激光器应用的、无需植入的InP/Si模板，该模板适用于晶片级多材料III-V族化合物的再生。通过使用O₂等离子体激活的晶片键合技术在硅基底上转移InP薄膜，并在超薄Al₂O₃中间层下引入一层多孔SiO₂层，我们为键合和后续MOCVD再生过程中产生的氢提供了有效的扩散路径。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Ho Sung Kim表示获得了电子通信研究院（ETRI）的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有其他可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了电子通信研究院（ETRI）内部项目的支持（项目编号：24RH1500、24BH1400、23ZB110）。