新型硅基磷化铟光子集成平台

硅基集成光电芯片的大规模应用需要一个高效的、可扩展的、低成本的硅基光子集成平台。近日，香港科技大学光电科技中心的研究团队设计了一种新型硅基磷化铟光子集成平台，将有望融合目前两大主流光电平台：硅基集成光电子和磷化铟基集成光电子的各自优势。利用全新的“水平侧向选区外延”方式，研究人员成功在绝缘体上硅 (SOI)衬底上单片集成低缺陷密度、与硅基波导共平面的磷化铟亚微米线阵列和大尺寸磷化铟薄膜结构。

研究背景

集成光电芯片技术是当今互联网、数据中心的关键技术，也是物联网、无人驾驶、高性能计算、传感等未来各类高新科技的核心技术。由于硅是非直接带隙半导体材料，不能用于制备高效的激光器；因此硅基光电集成芯片需要额外异质集成III-V族半导体激光器。尽管采用半导体激光器压焊、半导体薄膜转移等方式也能实现硅基半导体激光器的异质集成，但是通过异质外延方式将III-V族激光器单片集成到硅晶圆上是潜在成本最低、集成度最高的方式，近年来得到业界的广泛研究。

硅基III-V半导体异质外延的核心是如何实现满足光电集成要求的硅基III-V族半导体材料；目前主要有三项研究难点：1）实现低缺陷密度的III-V半导体晶体、2）尺寸满足制备电泵浦激光器需要、3）可与硅基波导高效光耦合。虽然通过在硅晶圆上大面积外延III-V族晶体薄膜或者选区外延生长III-V族纳米结构等方式可以有效地解决其中一项或者两项研究难点，但是这些传统的方式不能同时克服这三项研究瓶颈，往往因为改进其中某一项参数而严重影响另外一项参数。

创新研究

在香港科技大学刘纪美教授和韩羽博士后的带领下，博士生闫曌和其他研究人员设计了一种新型硅基磷化铟光子集成平台，可以同时克服硅基III-V族半导体异质外延的三项研究难点。利用课题组前期发明的“水平侧向外延”新方法，研究人员进一步在 (001)晶向的 SOI晶圆上单片集成磷化铟（InP）亚微米线阵列和和大尺寸磷化铟薄膜结构。首先，得益于选区外延的缺陷抑制效应，可实现无位错缺陷的硅基磷化铟晶体；其次，通过将晶体的外延方向由垂直改为水平，研究人员实现了面内的、大尺寸的磷化铟晶体薄膜结构；最后，外延的磷化铟晶体与硅波导形成共面结构，可支持III-V族有源器件和硅基波导的高效光耦合。

与传统异质外延的“硅上III-V半导体”不同，利用“水平侧向异质外延”实现的磷化铟亚微米线阵列和大尺寸磷化铟薄膜刚好位于掩埋氧化层之上，形成独特的“绝缘体上的磷化铟（InPoI）”结构；与绝缘体上硅（SOI）类似，此结构是实现集成光电器件的理想架构。研究人员进一步在该平台上实现了不同种类的III-V族激光器，包括亚波长法布里-珀罗激光器阵列、方形微腔激光器阵列、微盘激光器阵列。该结果进一步验证了硅基异质外延磷化铟半导体晶体的质量，同时也证明了这种全新的硅基磷化铟光子集成平台的潜力。

应用与展望

取决于具体的应用需求，此平台中的大尺寸磷化铟薄膜结构可以作为衬底外延不同种类的器件结构，从而实现进行光产生、调制、探测的功能。同时，此平台中独特的磷化铟亚微米线阵列可用于实现高密度的硅基纳米光电子集成芯片，并有望与硅基微电子系统实现共片集成。另外，此平台独特的“绝缘体上的磷化铟”结构与采用薄膜转移方式实现硅基磷化铟具有相同的材料架构，因此可以借鉴并兼容当前产业界的工艺线。获取更多前沿科技 研究进展 访问：https://byteclicks.com

该研究成果以“A monolithic InP/SOI platform for integrated photonics”为题在线发表在  《Light: Science & Applications》。

单片硅光集成设想图