应用于光互连的金属限制介质辅助键合III-V/硅基混合集成激光器

硅基键合III-V 材料激光器,作为互补氧化物半导体(CMOS)兼容硅基光互连系统中的一个关键元件,近年来引起了人们的高度重视并得到了广泛的研究。金属限制结构可以增强器件对光场的限制,提高界面反射率和工艺容差,从而实现小体积低能耗硅片上集成光源。对金属限制介质辅助键合III-V/硅基混合集成激光器进行了研究,介绍了该激光器的基本原理和实验方案,并对制作的不同结构激光器的特性进行了分析,该研究工作的开展将有助于实现III-V/硅基混合集成激光器在低能耗高带宽的硅基光互连中的应用。     

Ⅲ - Ⅴ/Si混合集成激光器研究进展

硅基光互连技术是解决目前电互连制约瓶颈的有效手段,而实用化集成光源的制备对硅基芯片功耗的降低和尺寸的减小有着十分重要的意义。硅基集成激光器在过去的十多年间取得了一系列重要突破,其中III-V/Si混合集成激光器是近期最可能获得实际应用的方案之一。文章简要分析了硅基集成激光器的研究现状,重点介绍了III-V/Si混合集成激光器的研究进展,包括III-V/Si键合激光器和III-V/Si倒装焊激光器的发展和各自存在的问题,并预测了硅基集成激光器的发展方向。     

应用于光子集成的硅基混合集成人工微结构硅波导输出激光器研究

目前,硅光子集成在光通信和信号处理、微电子系统的片内和片间互连领域成为研究热点。虽然其基础元件如波导、输入/输出(I/O)耦合器、波分复用器、调制器和光探测器性能达到了一定水平,但是硅光子集成回路仍面临挑战,原因是硅基激光光源的制作仍然是一个技术难题。综述了近年来硅基混合集成激光器的进展,介绍了课题组的研究成果。将微结构引入到硅基混合集成硅波导输出激光器中,提出了新型的III-V/硅混合集成的微结构硅波导输出单模激光器。此新型激光器工作在通信波段。其中,InGaAlAs增益结构是通过晶片直接键合的方式与具有微结构的SOI(Si/SiO2/Si)集成。激光器模式选择机制是基于SOI中的周期微结构,仅通过标准光刻即可实现。微结构激光器室温连续输出为0.85mW,脉冲输出为3.5mW,边模抑制比为25dB。     

硅基键合激光器的研究进展

硅基的光电子集成以及光集成将满足未来信息传输处理的要求。目前制作硅基激光器的方法主要分为两类,异质结外延生长和异质材料键合。键事方法克服了异质结外 可避免的晶格失配和材料热膨胀系数非共容性的缺点,它可以将具有直接带隙结构的半导体材料键合到硅片上,从而制作出硅基键合激光器件。特别是年来来发展起来的低落曙直接合技术,使发光器件与微电子器件的硅基混合光电集成成为可能。     

芯片键合技术在光电子学中的最新研究进展

芯片键合技术在光电子学中的应用研究可概括为两大方面： 一、将波长（１．３～１．５μｍ）激光器与硅大规模电路集成，从而实现光电子集成．这是光纤通讯和光二连所渴求的．在长波长区光纤损耗小，通讯距离长． 对以ＩｎＰ为基片的激光波长，硅是透明的，因此，通过硅基间器件能实现光互连．１９９５年Ｋ．Ｍｏｒｉ等人报道了硅基 １．５５ μｎｍ的 ＩｎＰ激光器显示优良的伏安特性．在键合界面未见高阻层．激光器在室温脉冲条件下的阈值电流密度（Ｊｔｈ）为 １．７ ｋＡ／ｃｍ２，这与以 ＩｎＰ为基片的激光器Ｊｔｈ相近． １９９９年 …     

乙二醇辅助多层硅/硅直接键合

利用乙二醇的分子结构和氢键在10万级的超净环境下成功地进行了多层乙二醇环境下的硅/硅直接键合,并在氮气保护下1100℃热处理后进行了拉力强度测试,平均键合强度达到了10MPa.SEM观测表明,在键合界面没有发现孔洞和空隙.该方法同样适用于Ⅲ-Ⅴ族化合物的直接键合.这为发展多层结构、多功能集成的MEMS结构器件奠定了良好的工艺基础.     

硅基Ⅲ-Ⅴ族纳米线及其若干半导体器件

综述了硅基Ⅲ-Ⅴ族纳米线与异质结制备技术的研究进展.针对基于Ⅲ-Ⅴ族纳米线的半导体器件,重点介绍了硅基Ⅲ-Ⅴ族纳米线场效应晶体管的研究现状,详细介绍了硅基Ⅲ-Ⅴ族纳米线场效应晶体管和隧穿场效应晶体管的制备流程、工艺技术和器件的电学性能,并对影响器件电学性能的因素进行了分析.概括介绍了硅基Ⅲ-Ⅴ族纳米线激光器和硅基Ⅲ-Ⅴ族纳米线太阳电池的研究成果,基于硅衬底的Ⅲ-Ⅴ族纳米线太阳电池为低成本、高效能的太阳电池领域开辟了新途径.研究结果表明,采用硅基Ⅲ-Ⅴ族纳米线制备的场效应晶体管、激光器及太阳电池等半导体器件相对于Si,Ge等传统半导体材料制备的器件有着巨大的优势,在未来集成电路技术中具有越来越大的影响力.     

（100）与（111）晶面硅基金属整片键合后选择性去衬底技术

采用硅基金属整片键合后选择性去衬底技术,通过热压键合技术将（100）晶面硅与（111）晶面硅高温键合,利用聚二甲基硅氧烷保护（100）晶面硅衬底,再粗化（111）晶面硅衬底加快其刻蚀速率,后通过湿法选择性刻蚀去除（111）晶面硅衬底。此技术在不损伤硅基驱动芯片的前提下实现了选择性去除硅基氮化镓外延衬底,是一种材料混合集成的新技术,有望应用于自对准硅基Micro-LED微显示器件制程和光电子器件集成领域。     

键合法制备硅基1.55μm InP-InGaAsP量子阱激光器

在硅基上成功地制备出了1.55μm InP-InGaAsP量子阱激光器.设计并生长了适合于键合的量子阱激光器结构材料,通过直接键合技术,将Si衬底与InP-InGaAsP外延片键合到一起.剥离去掉InP衬底后,在5～6μm的薄膜上制备出20μm条形边发射激光器.室温下,阈值电流160mA(电流密度为2.7kA/cm2),功率可达10mW以上(在约350mA电流下),实现了1.55μm长波长边发射激光器与Si的集成.目前,该结果国际上还未见报道.     

键合法制备硅基1.55μm InP-InGaAsP量子阱激光器

在硅基上成功地制备出了1.55μm InP-InGaAsP量子阱激光器.设计并生长了适合于键合的量子阱激光器结构材料,通过直接键合技术,将Si衬底与InP-InGaAsP外延片键合到一起.剥离去掉InP衬底后,在5～6μm的薄膜上制备出20μm条形边发射激光器.室温下,阈值电流160mA(电流密度为2.7kA/cm2),功率可达10mW以上(在约350mA电流下),实现了1.55μm长波长边发射激光器与Si的集成.目前,该结果国际上还未见报道.     

中红外量子级联激光器的光子集成（特邀）

中红外光子集成芯片在环保监测、医疗诊断和国防安全等领域具有广泛的应用前景,但激光光源与无源波导光路的片上集成仍是中红外集成光学需要攻克的关键难题之一。量子级联激光器（QCL）是中红外波段的重要半导体激光光源,文中介绍了近几年中红外QCL在光子集成方面的研究进展,包括InP基单片集成、硅基单片集成、硅基异质键合集成和III-V/锗混合外腔激光器。     

面向三维集成应用的Cu/SiO2晶圆级混合键合技术研究进展

Cu/SiO₂混合键合技术被认为是实现芯片三维集成和高密度电学互连的理想方案,但由于其需兼顾介质和金属两种材料的键合,目前鲜有自主开发且工艺简单、成本低廉的混合键合方案的报道。文章归纳了现有的晶圆级键合技术,包括直接键合、活化键合以及金属固液互扩散键合,分析了其应用于混合键合技术的可能性。进一步总结了近年来部分Cu/SiO₂混合键合技术的研究进展,从原理上剖析该工艺得以实现的关键,为国内半导体行业占领此高端领域提供一定的参考。     

面向先进封装应用的混合键合技术研究进展

随着摩尔定律推进至纳米级节点,以硅通孔(TSV)、重布线层(RDL)、薄芯片堆叠键合等为支撑的三维集成被认为是延续摩尔定律的重要途径. Cu/SiO₂混合键合可以持续缩小芯片间三维互连节距、增大三维互连密度,是芯片堆叠键合前沿技术. 近年来它在互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)、Xtacking 3D NAND、 2.5D/3D集成等商业化应用突破,使之成为国内外领先半导体研究机构研究关注的热点话题. 本文将系统梳理混合键合技术的研究历史与产业应用现状,重点分析近年来国内外代表性研究工作的技术路线、研究方法、关键问题等, 在此基础上,对混合键合技术的未来发展方向进行展望.     

VCSEL技术及其在光互连中的应用

垂直腔表面发射激光器（VCSELs）是并行光互连、高速光交换系统中最合适的光源。它具有易耦合、易封装和测试的优点。由于其独特的性能，可以较为方便地制作二维激光器阵列。基于VCSEL阵列的光电混合集成及并行光互连是当前的研究热点。本文介绍了VCSEL基本结构及设计中的关键技术，并对VCSEL在光互连中的应用进行了研究。     

高性能硅和铌酸锂异质集成薄膜电光调制器 （特邀）

硅基光子集成平台因其高集成度、CMOS工艺兼容性等特点在光通信领域受到了广泛的关注,而电光调制器作为光通信系统中最为重要的器件之一,承担着将电信号加载至光信号上的关键作用,为打破硅基调制器的性能限制,可利用硅和铌酸锂的大面积键合技术以及铌酸锂低损耗波导刻蚀技术实现高性能硅和铌酸锂异质集成薄膜电光调制器,目前该类调制器的性能可达半波电压3 V,3 dB电光带宽超过70 GHz,插入损耗小于1.8 dB, 消光比大于40 dB。文中对比了硅和铌酸锂异质集成调制器的研究现状并介绍了该异质集成薄膜调制器的结构设计与工艺实现方法。     

硅基Ⅲ-Ⅴ族纳米线晶体管

硅基Ⅲ-Ⅴ族纳米线晶体管已经成为高速、低功耗纳米级器件的重要发展方向。首先,从气相-液相-固相生长和选择区域生长的角度,阐明了在硅衬底上无位错生长高晶体质量Ⅲ-Ⅴ族纳米线的机制。在此基础上,介绍了垂直结构和水平结构Ⅲ-Ⅴ族纳米线晶体管的制备方法。研究表明,垂直结构纳米线容易实现高密度生长,而水平结构纳米线有利于逻辑栅的制作。通过比较垂直生长、水平生长、衬底转移和自上而下纳米加工技术制备Ⅲ-Ⅴ族纳米线的工艺优缺点,为水平结构Ⅲ-Ⅴ族纳米线在硅衬底上的大面积异构集成及其器件的制作提供了新的解决方案。     

硅基拉曼激光器的研究与进展

硅基激光器实现的问题一直是硅光电集成的主要障碍。实现硅基激光器的有效方法之一是采用拉曼散射原理实现硅基拉曼激光器。本文详细阐述了硅基拉曼激光器的工作原理、波导结构,并介绍了近几年来已经实现的脉冲和连续波拉曼激光器的结构和工作性能。     

TSV立体集成用Cu/Sn键合工艺

为实现硅通孔(TSV)立体集成多层芯片可靠堆叠,对一种具备低温键合且不可逆特点的Cu/Sn等温凝固键合技术进行了研究。基于Cu/Sn系二元合金平衡相图,分析了金属层间低温扩散反应机理,设计了微凸点键合结构并开展了键合工艺实验。通过优化键合工艺参数,获取了性能稳定的金属间化合物(IMC)层,且剪切力键合强度值达到了国家标准,具备良好的热、机械特性。将其应用到多芯片逐层键合工艺实验当中,成功获取了4层堆叠样品,验证了Cu/Sn等温凝固键合技术在TSV立体集成中的应用潜力。     

新型III-V族变形微盘硅基混合激光器

文章中,我们设计了一种连接一个Si的输出波导的新型III-V族变形微盘硅基混合激光器,并通过BCB键合技术以及标准光刻将其制备。相比于传统圆形微盘激光器,该激光器实现了激光从硅波导的定向发射以及单纵模输出。实验上,在连续电流操作下,我们获得了0.31 mW的输出功率以及27 dB的边模抑制比。     

基于谐振波导光栅的偏振选择广角光探测器(英文)

高性能偏振选择型光探测器是偏振检测系统中不可或缺的一部分。提出了一种由硅基谐振波导光栅和InP/InGaAs PIN光探测器混合集成的光探测器结构。利用严格耦合波分析方法设计了硅基谐振波导光栅结构,利用时域有限差分法优化了该混合集成光探测器的结构参数。数值仿真结果表明该光探测器在宽带范围内具有高量子效率、较大入射角容差及偏振选择性。该器件可以应用于偏振敏感系统中。