1. 行业背景
近年来，网络数据流通量以每年27%的速率持续增长，在2017年时已经突破一个泽字节。但是，在计算和交换处理器等高带宽芯片之间的电连接却受到带宽和能耗的限制。而在一方面，基于硅光技术的光互连可以很好地满足将来更高的数据传输速率和更低的能耗需求，多种基于硅波导的高性能无源光芯片器件也已经在300毫米的硅基底上实现。但由于硅和锗均为非直接带隙材料，发光效率低，硅光芯片的光源部分则需要将直接带隙的III-V族有源材料和硅片集成。目前，唯一被大规模生产的集成技术是通过晶片键合方式的异质集成，而相对尺寸较小也较昂贵的III-V族晶圆材料和复杂的键合工艺限制了最终的可扩展性。而通过分子束外延生长的方式实现的单片集成技术可以有效突破异质集成的限制，因为将不再需要III-V族的晶圆材料并可以实现最大规模的集成密度和提供最优良的器件散热。单质集成也因此被誉为将III-V族有源材料与硅光芯片集成的最终解决方案。
2. 最新技术水平
由于普遍使用的砷化物或磷化物III-V族材料的晶格常数和热膨胀系数与硅衬底不匹配，在硅上直接外延生长的III-V族材料中将形成大量不可避免的晶体位错。这些位错严重影响了硅上外延器件的性能和寿命。对此，因为砷化铟量子点对位错的不敏感性，使用量子点而不是传统的量子阱作为有源层可以大大提高器件性能。但“不敏感”并不等同于“免疫”。此前，加州大学圣塔芭芭拉分校的John E. Bowers教授团队通过降低晶体位错密度，使在平面硅衬底上外延生长的独立量子点激光器的预期寿命在80°C高温下达到了20万小时。但用于降低位错密度的缓冲层一般较厚，使得有源层距离下方的硅层过远，像在异质集成中将光耦合进硅波导的隐失场耦合方式不再适用。为了实现单片集成上的光耦合，需将III-V族有源材料生长在刻在氧化硅中深槽内，通过对接耦合的方式将光横向导入镶嵌在氧化硅中的波导内，而此前从未有过在深槽中通过分子束外延生长的量子点电泵激光器。鉴于此，加州大学圣塔芭芭拉分校的John E. Bowers教授团队，与合作者一起，首次在300毫米硅片上实现了在深槽中的量子点电泵激光器，为最终实现的大规模高密度单片集成走出坚实一步。
图1：(a)深槽硅片中生长量子点激光器，用于对接耦合的单片集成示意图。(b)深槽的工艺流程。(c)制备完成的300毫米硅片。
3. 难点与解决方案
图 2：(a)测得温度在不同表面材料情况下的读数。生长之前和生长至量子点时的读数差值可高达150摄氏度。(b)量子点生长条件测试结构，高于最合适温度5度时，量子点便开始蒸发。(c)铟镓砷层的铟含量随生长温度的变化。
在分子束外延生长技术中，生长表面的温度是重中之重的实验参数，在通讯领域应用最多的砷化物和磷化物薄膜的生长温度窗口一般有几十至上百摄氏度，而高质量量子点的生长温度窗口只有约3摄氏度。在有氧化硅槽的硅模板上生长时，由于大部分面积被氧化硅覆盖，在槽中生长的单晶III-V材料表面温度不可再被直接测得。研究人员发现，由于氧化硅相较III-V材料而言更不易加热和更低的热发射率，氧化硅覆盖的生长模板有更低的温度读数。随着生长的进行，由于分子束外延生长在正常条件下对氧化硅不具有选择性，氧化层覆盖的部分将渐渐被多晶III-V覆盖。外延生长的多晶III-V材料有极高的缺陷密度从而会吸收环境中热辐射，而且还有和比单晶III-V材料更高的热发射率，导致槽内单晶III-V材料的实际温度便有更大的不确定性，使得无法形成高质量的量子点结构。测得的模板表面温度随不同表面材料的变化可以有上百摄氏度的差值。既然无法直接测得单晶III-V生长表面的实际温度，研究人员便利用在III-V材料中含铟层对生长温度敏感的特点来推算测得温度与实际温度的差值。研究人员发现，在分子束外延生长中，铟吸附原子的吸附系数会受镓吸附原子影响。在无镓同时参与生长时，铟吸附原子在500摄氏度以上便会完全蒸发，即吸附系数为0%；而在有镓同时参与生长时，铟吸附原子直到540摄氏度都可以保持100%的吸附系数。通过测量槽内III-V材料中铟镓砷层中铟的含量和观测砷化铟量子点的蒸发情况，研究人员将测得温度与实际温度的差值缩小到了具体的温度区间。在该温差范围内（约30摄氏度）具体调整生长条件后，研究人员首次在深槽中实现了通过分子束外延方式制备的高质量砷化铟量子点激光材料。随着光刻和电接触完成之后，首个在300毫米深槽硅片中的电泵量子点激光器可在连续波条件下工作至60摄氏度，与之前在平面硅片上生长的量子点激光器也有相近的预期寿命。
图 3：(a)生长材料的TEM侧截面。(b)调整温差之前（左）和调整温差之后（右）的有源层TEM侧截面，调整温差后可以看到量子点的形成。(c)InGaAs filter的EDS扫描，其中铟含量与设计的铟含量完全一致。(d)代表器件的LIV。(e)代表器件的高温表现。(f)代表器件的寿命表现，与生长在平面硅上的器件相近。
4. 总结与展望
在深槽硅片中生长III-V量子点激光结构，通过对接的方式实现光耦合，是目前最有可能实现大规模高密度单片集成的方案。量子点的制备条件相对苛刻，在无法测得实际温度的深槽中，找到并利用对温度敏感的材料性能来分析实际温度是实现量子点的关键。而且，深槽中的激光器由于所受应力和平面激光器不同，其性能和寿命有望超越平面激光器，为大规模单片集成的实际应用提供保证。
5. 论文信息
相关研究成果以 “Electrically pumped quantum-dot lasers grown on 300 mm patterned Si photonic wafers” 为题在线发表于《Light: Science & Applications》期刊。论文第一作者为加州大学圣塔巴巴分校的尚晨博士，论文通讯作者为John E. Bowers 教授。
