根特大学团队开发晶圆级微转移印刷技术实现800纳米波段激光器集成
晶圆级微转移印刷方法
（映维网Nweon 2025年08月01日）增强现实和虚拟现实等应用需要（近）可见激光源的光子集成。将III-V族光学增益材料与低损耗氮化硅波导进行异质集成，可以在单个芯片实现包含低噪点激光器的复杂光子电路。先前的演示主要集中在通信波段。对于短波，实现III-V族材料与氮化硅波导之间的高效光耦合方案有限。基于晶圆键合器件的进展需要复杂的耦合结构，并且存在散热不佳的问题。
在一项研究中，根特大学和比利时微电子研究中心团队展示了一种晶圆级微转移印刷方法，以将功能性III-V器件直接集成到商业氮化硅平台的硅衬底。他们展示了基于高效砷化镓（GaAs）、工作于800纳米波段的放大器（集成了可饱和吸收体）与氮化硅腔之间的对接耦合。这产生了延伸腔连续波激光器和模式锁定激光器，其产生的脉冲序列重复频率范围为3.2至9.2吉赫兹（GHz），并展现出优异的被动稳定性（无源稳定性），其基频射频线宽低至519赫兹（Hz）。
结果表明，利用可扩展制造技术，有可能构建800纳米复杂、高性能的全集成激光系统，并在AR/VR等领域取得重大进展。
小型化、高能效的光学器件对广泛的技术越来越重要，比如AR/VR。光子集成电路（PICs）在单个芯片结合了多种光学功能，利用现有的CMOS（互补金属氧化物半导体）工艺和基础设施来实现这种小型化，同时相较于传统光学系统在尺寸、重量、功率和成本方面具有显着优势。
为了实现先进PICs，需要在适合波长的波导平台集成提供短波相干辐射的激光源。对于短于1.1µm的波长，广泛使用的绝缘体上硅（SOI）平台由于其相对较窄的带隙而不再适用。对于这个问题，最有前途和技术成熟的解决方案是使用氮化硅（SiN）波导平台，提供低至约400nm波长的宽带透明度和低于0.1 dB m−19,10的极低损耗。这使得SiN波导对于利用超高q微腔或其他协整非线性材料的非线性器件特别有吸引力。
然而，一个关键的挑战在于从III-V光源到低损耗波导的耦合，这是由于III-V材料（> 3）和SiN（~ 2）之间的大折射率对比。在电信和光通信波长（1550 nm和1310 nm），已经展示了诸多有希望的演示。遗憾的是，由于硅的小带隙，这对于短波长并不可能。使用中间介电介质作为耦合结构/点尺寸转换器，光可以从III-V非绝热耦合到中间介电介质波导，然后使用倒锥形管短暂耦合到SiN波导。这成功地用于在SiN平台集成广泛的III-V，首先在亚微米波长，随后在780 nm。
不过，然而，这种介质耦合结构需要在III-V族材料集成之后沉积并图案化波导结构，这显著地令集成后工艺流程复杂化。同时，绝热倒锥结构的使用限制了工作带宽。
另一种光耦合方法，对接耦合，已广泛用于将激光器集成到SiN和薄膜铌酸锂（TFLN），从1550 nm一直到637 nm，以制造稳定的单模激光器和锁模激光器。在这里，一个III-V增益芯片与一个低损耗波导芯片对接。由于工艺的芯片级性质，芯片到芯片耦合本质上比晶圆级方法的可扩展性更低，限制了其商业化潜力。但通过微转移印刷集成方法的优越灵活性，III-V可以使用直接对接耦合方法在晶圆规模进行异质集成，其中III-V直接放置在硅衬底的顶部，而与晶圆键合集成技术相比，这可以提供优越的热特性和极宽带光耦合。
同时，微转移印刷提供了一系列的优势，如高效的III-V材料使用和不需要在SiN晶圆进行III-V加工。这项技术先前已经通过将法布里-珀罗激光器耦合到波长为1550 nm和1310 nm的波导而得到了证明。不过，相关演示缺乏有效的耦合和复杂的激光功能，如扩展腔激光器。
对于根特大学和比利时微电子研究中心团队的研究，这是首次使用短波微转移印刷进行晶圆级兼容对接耦合集成的扩展腔激光演示。利用对接耦合的跨波长特性，所述技术可实现800纳米的激光发射。团队演示了具有超过4 mW连续波输出功率的扩展腔激光器，并通过无源锁模产生超稳定脉冲串，基频（RF）线宽低至519 Hz，脉冲能量高达0.27 pJ。集成激光器展示了方法的健壮性和多功能性。
使用团队介绍的集成方法，可以将复杂的高功率激光器集成在800 nm的SiN平台。通过优化III-V - SiN耦合，可以提高器件的输出功率，使其与激光片表征中的高功率势相匹配。通过调整印刷参数、粘附层组成和厚度以及凹槽刻蚀深度的控制来优化微转移印刷工艺，可以显著改善这一问题。
另外，单模激光器可以集成包括滤波器，以潜在地实现> - 15nm波长可调谐性。最后，通过将Fabry-Perot激光板与平面前切面集成，可以获得最优的势能。通过这种方式，波导耦合功率可能达到50毫瓦。由于耦合方案的跨波长性，所演示的集成方法可以很容易地扩展到使用不同增益材料的更短波长。
不同的波导平台，如薄膜铌酸锂绝缘体（LNOI）或氧化铝可以用来进一步扩展光谱和功能。通过使用微转移印刷方法的灵活性，多种不同的材料可以在密度和复杂性方面协同集成，而这在很大程度上是使用晶圆键合所无法实现的事情。同时，这种集成过程与现有光子SiN平台的兼容性意味着这种方法非常适合大规模生产。微转移印刷可用于在CMOS工艺的后端线上以晶圆规模集成III-V材料，使CMOS不兼容的III-V材料远离前端。
这证明了微转移印刷技术在较短波长的III-V集成方面的潜力。采用等离子体增强化学气相沉积沉积的SiN硬掩膜，采用电感耦合等离子体刻蚀形成激光脊波导和可饱和吸收体隔离，并通过UV光刻和SF6/CF4/ h2基反应离子刻蚀进行图片化。接下来，通过低应力PECVD SiN钝化激光，打开通孔，通过电子束沉积和提离工艺沉积p接触金属和n接触金属。
为了消除金属/III-V界面的天然氧化物，在接触沉积之前使用稀HCl浸液，并在430°C下对接触进行快速热退火。随后，激光器的台面，包括光学面，使用相同的ICP配方蚀刻，并使用PECVD SiN钝化。一个金镜沉积在一个面，包括一个薄的（几纳米厚以限制吸收）钛粘附层，并使用倾斜的电子束沉积。接下来，使用基于BCl3/ h2的ICP蚀刻和光刻胶掩膜选择性地暴露衬底，对InGaP释放层进行图图化。然后用厚的（~ 6µm）正光刻胶形成tether封装到基板，并使前表面裸露以允许紧密对接。最后，使用2:1的HCl:H2O溶液进行蚀刻。
在微转移印刷之前，使用ICP和CHF3/Ar气体混合物以及铬金属硬掩膜蚀刻凹槽，并通过升降工艺绘制图案。接下来，添加一层薄薄的（~ 50 nm）光图图化BCB 粘附层。接下来，III-V微转印到凹槽中，对准氮化硅波导。最后，进行印后处理以添加金属触点并用BCB填充光路中的任何空隙。
总的来说，根特大学和比利时微电子研究中心团队展示了一种晶圆级微转移印刷方法，以将功能性III-V器件直接集成到商业氮化硅平台的硅衬底。他们展示了基于高效砷化镓（GaAs）、工作于800纳米波段的放大器（集成了可饱和吸收体）与氮化硅腔之间的对接耦合。这产生了延伸腔连续波激光器和模式锁定激光器，其产生的脉冲序列重复频率范围为3.2至9.2吉赫兹（GHz），并展现出优异的被动稳定性（无源稳定性），其基频射频线宽低至519赫兹（Hz）。
