1.2.1 硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体混合集成光源

Ⅲ-Ⅴ族半导体是直接带隙半导体材料，带间复合为直接跃迁，其发光效率比硅大得多，因此，在硅基上混合集成Ⅲ-Ⅴ族半导体材料是硅基光源的一大主流候选方案。通过调节半导体材料的组分来改变材料的带隙宽度，进而获得所需的光源波长。

Ⅲ-Ⅴ族半导体材料主要是以利用外部电驱动的方式，将非平衡载流子注入能带中而获得直接辐射复合发光，这一过程通常采用PN结来实现，从早期的同质结到单异质结，再到双异质结。近年来，随着材料维度的降低和材料结构特征尺寸的减小，量子效应表现得愈加突出，由此带来的新现象、高性能成为新一代半导体光源的基础，当今主流的半导体材料主要采用多量子阱（Multiple Quantum Well，MQW）与量子点（Quantum Dot，QD）两种异质结结构。目前，实现高效电泵浦硅基半导体光源主要有两种方法：一种方法是异质集成方案，先在InP基上生长高质量的Ⅲ-Ⅴ增益材料，然后将其键合到图案化SOI晶片上，以实现高效的波导耦合；另一种方法则是外延方案，在硅基上直接外延（使用中间缓冲层）生长Ⅲ-Ⅴ增益层，其问题是晶格和热失配导致的穿线位错。尽管量子点材料减少了穿线位错的影响，但仍然不能提供足够的激光寿命[26]。

近年来，硅基半导体光源开始应用到各领域中，金属有机化学气相沉积（Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）等生长技术已经成熟，量子阱/量子点硅基半导体放大器与激光器在学术界和产业界被广泛关注，并在实践中得以应用发展。2007 年，Park 等首次采用直接键合的方法制备了硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier，SOA）[27]，其结构如图1.4（a）所示。该混合集成的放大器通过电流注入的方式，在InGaAlAs量子阱有源层中产生光增益。同时，利用倏逝波耦合的方式将硅波导中的光场耦合至量子阱区域进行光放大。器件测到了9.1 dB/mm的最大片上增益，输入饱和功率测得为-2 dBm，如图1.4（b）所示。2019年，Matsumoto等采用精确的倒装式键合（Flip-Chip Bonding，FCB）技术，并结合模斑转换器（Spot-Size Converter，SSC）和混合集成技术，在硅基光学平台上制备了InP-SOA，其对准精度小于±1μm[28]。该混合集成器件结构如图1.4（c）所示，对于内联放大，SOA的输入和输出波导都耦合到硅波导上。为了实现高效的光耦合和宽松的对准误差，InP-SOA 和硅波导的模场通过模斑转换器进行匹配。在 25℃和 100 mA 电流下，器件测到了15.3 dB的净增益，如图1.4（d）所示。

图1.4 （a）采用直接键合的方法制备的硅基集成Ⅲ-Ⅴ族半导体光放大器结构示意图与SEM图像；（b）在不同电流水平下，放大增益与波长的关系；（c）采用FCB技术在硅光学平台上制备的InP-SOA结构示意图；（d）测试芯片的透射光谱

图 1.4（续） （a）采用直接键合的方法制备的硅基集成Ⅲ-Ⅴ族半导体光放大器结构示意图与 SEM图像；（b）在不同电流水平下，放大增益与波长的关系；（c）采用FCB技术在硅光学平台上制备的InP-SOA结构示意图；（d）测试芯片的透射光谱

硅基Ⅲ-Ⅴ族混合集成激光器在近年来进展也十分迅速。2006年，Intel公司和美国加州大学圣芭芭拉分校的Bowers教授课题组联合采用标准微电子工艺，成功研制了世界上首个硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体混合集成激光器，这项成果标志着硅基集成光源的技术瓶颈已被初步突破。2020年，Bowers教授课题组继续报道了在CMOS兼容的Si（100）衬底上生长的第一台1.3μm量子点分布式反馈型（Distributed FeedBack，DFB）激光器，如图1.5所示[29]。该激光器具有高温度稳定性，单纵模工作，边模抑制比大于50 dB，阈值电流密度为440 A/cm2。在小信号调制下，单通道速率为128 Gbps，净频谱效率为1.67 bit ·s-1/Hz。

同年，英国伦敦大学学院的刘会赟教授课题组也报道了用Ⅲ-Ⅴ族量子点在CMOS兼容的Si（100）衬底上单片生长的超小型Ⅲ-Ⅴ族量子点-光子晶体（Photonic Crystal，PC）薄膜激光器，如图1.6所示[30]。在室温下用连续光泵浦，该激光器具有约0.6μW的超低激光阈值，以及高达 18%的自发辐射耦合效率。此外，通过阈值的指数拟合，得到了在100～295 K温度范围内的高特征温度约为122 K。

图1.5 （a）器件结构；（b）器件结构的SEM图像；（c）器件的P-I特性曲线（插图：阈值电流与工作温度的关系）；（d）腔尺寸为3μm×700μm的DFB激光器的小信号调制响应

图1.5（续） （a）器件结构；（b）器件结构的SEM图像；（c）器件的P-I特性曲线（插图：阈值电流与工作温度的关系）；（d）腔尺寸为3μm×700μm的DFB激光器的小信号调制响应

图1.6 （a）器件结构示意图；（b）收集的1306 nm激光峰的强度曲线和线宽；（c）激光阈值的温度依赖性

图1.6（续） （a）器件结构示意图；（b）收集的1306 nm激光峰的强度曲线和线宽；（c）激光阈值的温度依赖性

硅基和Ⅲ-Ⅴ族材料的集成增加了半导体光源的灵活性。硅基平台在通信频带中提供了亚dB/cm范围内的低传播损耗，同时保持了高集成密度，而Ⅲ-Ⅴ族材料通过改变异质结成分带来直接带隙调谐和高增益值。总的来说，硅基上直接生长Ⅲ-Ⅴ族材料质量差、缺陷密度高、吸收损耗大，但由于其有可与CMOS工艺兼容的优点而发展潜力巨大。从短期来看，键合技术是解决硅基Ⅲ-Ⅴ族材料集成的一种有效途径，但工艺复杂、成本较高；长期来看，需要发展潜力更大的直接异质外延技术。然而，硅基上的异质外延生长面临着巨大的技术挑战，Ⅲ-Ⅴ族外延层和硅基之间具有较大的晶格失配和热膨胀系数差异，所产生的位错密度可高达约107 cm-2，严重影响着器件性能。采用斜切硅生长、衬底图形化（以消除Ⅲ-Ⅴ族材料与衬底的极性差异），以及引入缓冲层（如SiGe、GaAs 等，可以减小界面位错密度），这些技术途径实现高质量外延生长。从最新发展来看，Ⅲ-Ⅴ族量子点激光器的一些特质，如低阈值（功耗），可高温工作，对温度、光反射和缺陷不敏感等，使其在解决硅基集成激光器问题方面展现出极大的优势。