本报告介绍一篇发表于2014年5月12日《Optics Express》期刊（第22卷，第10期）的原创性研究论文，题为《在SiO2/Si衬底上通过键合有源层并再生长InP制备的直接调制掩埋异质结构DFB激光器》。该研究由日本NTT公司光子实验室的Shinji Matsuo、Takuro Fujii、Koichi Hasebe、Koji Takeda、Tomonari Sato以及Takaaki Kakitsuka共同完成。
一、 研究背景与目标 本研究隶属于半导体光电子器件领域，具体聚焦于硅基光子集成中的激光器技术。随着数据中心和超级计算机中光网络数据流量激增，降低功耗和提高传输容量变得至关重要。垂直腔面发射激光器（VCSEL）因其高速直接调制和低功耗特性被广泛使用。然而，为了利用波分复用（WDM）技术提升容量，需要具备单模激射和精确波长控制的激光器，这对VCSEL而言实现难度较大。分布式反馈（DFB）激光器虽能满足这些要求，但其有源区体积较大，导致功耗通常是VCSEL的十倍。此外，板内和芯片上光网络的发展，也进一步要求降低发射器的功耗。
因此，研究的核心挑战在于实现低功耗、可直接调制的单模激光器。掩埋异质结构（Buried Heterostructure, BH）激光器，特别是采用空气或SiO2等低折射率材料作为下包层的薄膜（membrane）BH激光器，由于能同时增强光场和载流子限制，被认为是实现低功耗和高调制速度的有效途径。此前，研究团队已利用光子晶体波长尺度腔体（称为λ-scale active-region photonic crystal laser或LEAP激光器）实现了4.4 fJ/bit的超低操作能耗。
除了性能，低成本制造同样关键，因为未来应用需要海量器件。在硅衬底上使用键合的薄InP基薄膜进行制造是一个潜在的解决方案。它既可以利用大尺寸硅晶圆和成熟的CMOS制造工艺，还能通过改变键合III-V族薄膜的成分，在同一硅片上集成制造激光器、调制器和光电探测器等多种器件。然而，此前报道的硅基激光器调制速度受限（12.5 Gbit/s），且功耗较高（27 pJ/bit）。为了降低功耗，需要去除激光器下方的硅波导以增强光限制，同时采用BH结构以实现高效的载流子限制。但要在大型硅晶圆上制备BH激光器面临一个关键工艺难题：如果先在InP衬底上制作BH再键合，很难精确控制键合后活性层在硅片上的位置，以及与硅光子器件之间的对准。
本研究旨在解决上述问题。其核心目标是开发一种新的制造方法：在键合到SiO2/Si衬底上的超薄III-V族有源层上，通过再生长InP层来形成BH结构，从而在硅基上实现高性能的直接调制DFB激光器。 研究的具体验证指标包括实现器件的室温连续波（CW）激射、获得低的阈值电流，并展示其在高温（50°C）下的高速（25.8 Gbit/s）直接调制能力，以证明该工艺路径在实现低成本、高效率硅基激光器方面的可行性。
二、 详细研究工作流程 本研究包含一系列精密且环环相扣的工艺步骤、材料表征和器件测试流程。
第一步：外延片制备与直接键合转移 研究始于在InP衬底上，通过金属有机气相外延（MOVPE）方法生长包含蚀刻停止层（InGaAs）和有源层的初始外延片。有源层结构经过特别设计，总厚度为250纳米，具体为：由150纳米厚的InGaAsP基6量子阱（6QWs）有源区，夹在两层各50纳米厚的InP层之间。这一厚度选择是后续成功的关键。随后，使用氧等离子体活化，在200°C下将该InP衬底（带有有源层）与一个带有1微米厚热氧化层（SiO2）的硅衬底进行直接键合。键合完成后，通过选择性湿法化学腐蚀，依次去除InP衬底和InGaAs蚀止层。最终，一个超薄的III-V族有源层被成功转移并牢固附着在SiO2/Si衬底上，作为后续再生长外延的模板。
第二步：材料耐受性与关键厚度验证 由于后续的MOVPE再生长温度高达约610°C，而InP、Si和SiO2材料之间热膨胀系数（分别为4.6， 2.4， 0.5 ppm/K）存在显著差异，高温过程会在键合薄膜中引入应变，导致位错和裂纹。因此，研究团队首先进行了一项关键的基础实验，以确定键合薄膜能耐受高温再生长而不显著损坏的临界厚度。 他们制备了三个总厚度（d）分别为250纳米、500纳米和850纳米的样品（包含相同数量的多量子阱），并将其键合到SiO2/Si衬底上。将这些样品在MOVPE反应室中，于610°C的PH3气氛下退火30分钟，模拟再生长的高温环境。通过比较退火前后样品的光致发光（PL）光谱来评估晶体质量的退化情况。实验结果显示：850纳米厚的样品PL峰值强度在退火后急剧下降了68%，且谱线在键合后立即显著展宽；500纳米厚样品的退化降低至31%；而250纳米厚样品的退化仅为8%。这一系统的对比实验清晰地证明，将键合有源层的总厚度减薄至250纳米以下，是抑制由热失配应变引起晶体质量退化的有效策略。这为整个研究奠定了成功的材料基础，并确定了后续所有器件工艺所采用的活性层厚度。
第三步：台面定义与InP再生长形成掩埋异质结构 在确认了250纳米厚薄膜的可行性后，开始正式器件制作。首先，在键合有源层上通过光刻和干法/湿法组合蚀刻技术，定义出台面（Mesa）结构。然后，核心的创新工艺步骤 登场：使用MOVPE方法，在610°C的温度下，在SiO2/Si衬底上直接生长一层未掺杂的InP层，将键合的有源层台面完全“掩埋”（bury），从而初步形成BH结构。图4(a)展示的2英寸晶圆照片证实，经过高温MOVPE生长后，InP薄膜没有发生剥离。图4(b)的截面扫描电子显微镜（SEM）图像进一步显示，BH和InGaAs接触层中没有观察到位错或裂纹。为了定量评估再生长后活性区的质量，研究者比较了生长在SiO2/Si衬底上和生长在原生InP衬底上的BH样品的PL光谱（图4c）。结果表明，硅基样品的PL强度反而是InP衬底样品的2.7倍，这归因于硅基样品中InP/SiO2和SiO2/Si界面的反射增加了泵浦吸收和收集效率。并且，这个强度比值与BH生长前测量的结果几乎相同。这一关键数据强有力地证明，通过此方法在硅衬底上再生长形成的BH，其晶体质量可与在原生InP衬底上生长的相媲美，验证了该工艺的可靠性。
第四步：掺杂、光栅与电极制备 形成BH结构后，需要构建p-i-n结以实现电注入。研究采用了横向电流注入（Lateral Current Injection）结构，这对于利用键合薄膜形成p-n结至关重要。具体方法为：首先，通过Si离子注入（能量240 keV，剂量1.2 × 10^14 cm−2）并结合650°C、3分钟的快速热退火进行n型掺杂，形成n-InP区。随后，采用Zn热扩散（550°C，1分钟）进行p型掺杂，形成p-InP区。电容-电压（C-V）测量显示p-InP和n-InP的掺杂浓度分别约为2×10^18 cm−3和1×10^18 cm−3。最后，制作器件的光学和电学结构。由于薄膜结构的光场会扩展到表面，研究采用沉积并图形化一层130纳米厚的SiO2来制作表面光栅（Surface Grating），以实现分布式反馈（DFB），计算得到的耦合系数为150 cm−1。之后，沉积p型和n型的金属接触电极。器件的前端面通过解理获得（为此将硅衬底机械抛光至80微米薄），后端面则采用蚀刻反射镜，两端均未镀增透膜。图5(b)的SEM图像清晰地展示了最终器件结构：0.8微米宽的MQW有源区被InP层完美掩埋，其上方的SiO2表面光栅也成功制备。
第五步：器件静态与动态性能表征 研究人员对制备的DFB激光器（腔长120 μm，台面宽0.8 μm）进行了全面的性能测试。首先，在25°C下测试了其连续波（CW）工作特性。如图6所示，器件获得了1.8 mA的低阈值电流，最大输出功率达1.57 mW，且I-L特性曲线无扭折（kink）。微分电阻为90 Ω，估算的最大壁插效率（Wall-Plug Efficiency）约为9%。光谱特性方面（图7a），在10 mA偏置电流下，获得了边模抑制比（SMSR）高达40.4 dB的单模激射光谱，表明表面光栅DFB结构工作成功。变温I-L特性测试（图7b）显示，器件在高达100°C时仍能激射，其高温性能与已报道的硅基激光器相当，分析认为输出功率在较高电流下的热饱和（thermal rollover）主要源于SiO2层的较差热导率。
最重要的动态性能测试是直接调制能力评估。研究人员使用25.8 Gbit/s的非归零（NRZ）信号和长度为2^31-1的伪随机比特序列，在背对背（back-to-back）条件下测试了器件的比特误码率（BER）。测试在25°C和50°C两个温度下进行。结果显示（图8），在25°C（偏置电流8.0 mA，调制电压0.6 V）和50°C（偏置电流9.5 mA，调制电压0.63 V）下，均实现了误码率低于10^-12的无误码传输，对应的能耗分别为500 fJ/bit和644 fJ/bit。同时，眼图清晰张开，消光比均超过5 dB。这直接证明了该硅基DFB激光器可用于半冷（semi-cooled，50°C）环境下的高速数据通信。
三、 研究结果与结论 本研究通过一系列严谨的实验，成功实现了预设目标，并获得了以下主要结果： 1. 确定了键合薄膜的临界厚度：通过PL光谱分析，证实将键合III-V层总厚度减薄至250纳米可有效抑制高温再生长过程中的晶体质量退化（PL强度仅下降8%），为整个工艺奠定了基础。 2. 成功开发了硅基InP再生长BH工艺：在键合于SiO2/Si衬底的250纳米厚有源层上，通过MOVPE再生长InP，成功形成了高质量的掩埋异质结构。SEM图像显示无缺陷，PL光谱对比证实其晶体质量与InP衬底上的BH相当。 3. 制备出高性能硅基DFB激光器：利用该工艺，结合横向电流注入和SiO2表面光栅技术，成功制造出硅基薄膜BH DFB激光器。器件在室温下实现了1.8 mA的低阈值电流和1.57 mW的最大输出功率，并表现出高达40.4 dB的边模抑制比和100°C的高温工作能力。 4. 展示了高速直接调制性能：器件在25°C和50°C下均能以25.8 Gbit/s的速率进行直接调制，并实现无误码（BER<10^-12）传输，眼图清晰，满足了数据通信应用的要求。
本研究的主要结论是：提出并验证了一种在SiO2/Si衬底上，通过对键合的超薄有源层进行InP再生长来制备掩埋异质结构激光器的新方法。 利用该方法成功制造了首个直接调制的硅基薄膜DFB激光器，其具备低阈值、高单模特性及高速调制能力。这一成果表明，该制造方法为实现低成本、高效率的硅基激光器及其大规模光子集成提供了一条极具前景的技术路线。
四、 研究的亮点与价值 本研究的亮点和价值体现在以下几个方面： 1. 工艺创新性：核心创新在于“键合超薄膜 + 硅基原位再生长掩埋”的混合集成路径。它巧妙地将晶圆键合的优势（利用大硅片、CMOS工艺、多器件集成潜力）与半导体外延生长的优势（形成高质量、高性能的BH结构）结合起来，解决了传统方法中位置对准和性能优化的矛盾。 2. 关键参数的科学验证：通过系统的厚度-高温耐受性实验，以PL强度为量化指标，明确了250纳米这一关键厚度阈值，为工艺设计提供了坚实的科学依据。 3. 器件性能的全面性：不仅展示了静态的低阈值激射，更着重验证了在50°C高温下的25.8 Gbit/s直接调制能力，这是评估激光器能否用于实际数据通信环境的关键指标，使研究成果更具应用说服力。 4. 为硅光子学集成提供关键使能技术：该工作为解决硅基光源这一光子集成领域的长期挑战提供了新的有效方案。所演示的工艺与硅波导、spot-size converter等硅光子元件具有天然的工艺兼容性（如图1概念图所示），为未来实现大规模、多功能、低成本的硅基光电集成芯片铺平了道路。研究中所展示的低功耗（数百fJ/bit量级）特性，也呼应了数据中心和超级计算机对低功耗光互连的迫切需求，具有明确的应用价值。