IEDM2024 | 量子点激光器与硅基光电子集成线路的单片集成研究

逍遥设计自动化

引言
光电子技术与电子技术集成系统在光互连、激光雷达技术和量子通信等多个关键应用领域发挥重要作用。硅基光电子代工平台的发展实现了大规模晶圆级制造，降低了有源和无源光电子器件的生产成本[1]。
1 p+ E* f5 c9 E5 `! {2 J/ v

iqbdb0pqoxq6402837535.png

6 C, D) |, b6 {$ ~, n2 |
1
% t2 L/ X6 d. K& s工艺流程概述
首先通过详细的工艺流程图来介绍基本概念。
6 p" F2 j/ b% ]& j

ya4pwbnyucn6402837636.png

. `  k' h4 e9 E. T& P7 @图1：在300毫米硅晶圆上制造平面和凹槽量子点激光器的完整工艺过程，包括从模板制备、分子束外延生长到最终激光器性能表征的所有关键步骤。

2
* X) W5 ]/ h" W: g. u( C% u硅基光电子技术的发展现状
/ s4 J$ {- G# P6 A+ r# C硅基光电子行业在硅绝缘体平台上提供多项目晶圆服务方面取得了重大进展，可提供最大300毫米的晶圆尺寸，具有快速周转时间和稳定的器件性能特点。然而，在硅基底上集成III-V族光源面临挑战，特别是在集成砷化镓或磷化铟等III-V族增益介质时。这些挑战主要影响了生产的可扩展性和良率，导致许多制造商采用芯片外共封装和异质集成方法。

3
6 D. }$ i; g+ o, `/ k' g+ O量子点激光器的单片集成技术
近期研究通过分子束外延和金属有机化学气相沉积技术，在硅基底上实现III-V族光源的单片集成方面取得了令人鼓舞的成果。使用量子点作为增益材料受到广泛关注，原因是量子点对晶体缺陷具有较高的容忍度。通过生长非对称阶梯型过滤层和引入陷阱层等广泛的缺陷抑制措施，研究人员成功展示了在硅基底上通过分子束外延生长的性能优异且可靠性良好的量子点激光器。
/ r2 A7 J9 n' G/ \6 v
, A3 d( a) r1 T% a* q6 B- r4
) [# x6 F4 q* N+ p4 w0 r: H1 Q6 K器件结构分析
" n! f9 T9 a. x6 [& i! _. I让我们来分析这些集成激光器的详细结构。

45tppu1nqe36402837736.png

图2：平面和凹槽量子点激光器的结构和光学表征，包括截面电子显微镜图像和光致发光测量，证明了材料质量和均匀性。

0 J$ a( O: F  U, }' l, G$ \5
材料生长与结构设计
激光器堆栈由五层砷化铟量子点组成，上下包层采用高折射率对比度的砷化铝镓，形成相对较薄的整体堆栈结构。这些外延结构生长在平面或图形化的硅基光电子晶圆上。晶圆在IQE公司使用300毫米分子束外延反应器生长，祄底采用NAsP III-V公司通过金属有机化学气相沉积在硅衬底上制备的无反相畴砷化镓/磷化镓/硅同轴模板。应用非对称渐变滤波层进行缺陷减少，为凹槽内量子点激光器生长创造高质量的虚拟衬底。

6
器件制造与性能特征
2 D/ U2 p4 p, |300毫米硅基光电子晶圆根据凹槽生长设计规则，每个管芯可容纳6个激光器，每个卡盘24个管芯，每片晶圆64个卡盘，最多可制造9,216个激光器。由于多项目晶圆的特性，并非所有区域都达到最大器件密度。目前，III-V族激光器通过小卡盘制造工艺进行加工，硅基光电子卡盘的器件良率达到80%至95%。

7
+ Z3 a- r. R: h$ E结论
7 b3 g- y& U' v- ^, b在300毫米硅晶圆上光电子技术与电子技术的集成正在持续发展。通过外延生长高质量激光器增益区域并在互补金属氧化物半导体工艺线加工光电子集成线路，将促进新一代大容量光互连的发展。这一进展代表了在单一平台上实现光电子和电子器件大规模、低成本集成的重要突破。
5 L9 ~: F( x! @; j1 e
通过精心优化材料质量和器件设计，这些集成量子点激光器在高温条件下可实现超过20年的使用寿命，为光互连和其他需要长期可靠性和高性能的光电子系统的实际应用提供了技术支持。

参考文献
& g: L% `. B  }  J' N3 \[1] J. Bowers et al., "Integrated Quantum Dot Lasers and High Capacity Silicon Photonic Integrated Circuits," in 2024 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), San Francisco, CA, USA, 2024, pp. 1-4.
END
/ V; ^: b+ L; X) n
% E4 _9 ^$ X( V6 {) n$ l9 n软件申请我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
9 w) F8 t2 X+ C# u* W% j) Y点击左下角"阅读原文"马上申请
' w9 ~3 Y  \! R& G$ F: c
' K" x& @8 i' u8 w欢迎转载
  C9 I4 c( z; X: T: l
, B2 ~, b) Z0 S1 m7 F转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！

- A! ?$ }, j% P: x0 o# ]

j5tqn31mpt26402837836.gif

" X" E# D" Y3 P0 @5 B1 m
关注我们
1 N. V, k; L0 ^( P: y, e2 d7 m5 c

fk0fxutilap6402837936.png

6 l' @4 d9 ]& \: a un31p2nstcx6402838036.png % j3 y9 w, x2 h4 c

+ c  q& E$ ?3 J# B1 t- o: ~& Y vuub0y5abhz6402838136.png

                     
3 {& g+ o4 T" _8 @7 U& H

/ I- E) y) f( Q& f9 E! c" G
) j( ?! w4 W) X# R关于我们：
深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。

http://www.latitudeda.com/
2 H9 {) F7 I' w（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）