#InGaP外延片 #InGaP光波导
摘要
磷化镓因其高折射率、宽光学透明窗口和强二阶非线性响应，是集成光子学的一个有前景的材料平台。在此，我们展示了通过晶体离子切片和直接晶圆键合制造的绝缘体上GaP薄膜，使用熔融石英和SiO₂/Si热氧化硅衬底作为代表性平台。与依赖异质外延生长或牺牲层释放的GaP薄膜平台不同，所提出的方法能够灵活集成晶体GaP薄膜，独立于施主和目标衬底。在转移后退火后，薄膜表现出接近块体的晶体质量，残余应变低，表面光滑适合纳米光子制造，以及均匀的键合界面。此外，退火恢复了线性光学色散（n和k），接近外延生长GaP，在电信C波段1550 nm处估计平面波吸收损耗为0.9 dB/cm。所展示的方法为高质量GaP薄膜光子学建立了一条可扩展途径，与多种异质集成和后端CMOS工艺兼容。
关键词：磷化镓；薄膜；集成光学
划重点--销售晶圆和加工
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文章名：Direct Wafer Bonding of Crystal-Ion-Sliced GaP Thin Films for Photonic Applications
作者：Hossein Esfandiar 1,5, *, Emanuel Glück 1, Fabian Ganss 2, Ulrich Kentsch 2, Dennis Arslan1, Jana Paeschke 1, Sebastian Ritter 1,5,6, Andreas Ihring 3, Muyi Yang 4,5,6, Isabelle Staude 4,5,6 Stefan Facsko 2, Falk Eilenberger 1, 5, 6, Carolin Rothhardt 1, Sebastian W. Schmitt 1, 5, +
机构：1.Fraunhofer-Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF, Albert-Einstein-Str. 7, 07745 Jena, Germany
2.Institute of Ion Beam Physics and Materials Research, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Bautzner Landstr. 400, 01328 Dresden, Germany
3.Leibniz Institute of Photonic Technology, Albert-Einstein-Str. 9, 07745 Jena, Germany
4.Institute of Solid-State Physics, Friedrich Schiller University, Max-Wien-Platz 1, 07743 Jena, Germany
5.Institute of Applied Physics, Abbe Center of Photonics, Friedrich Schiller University, Albert-Einstein-Str. 15, 07745 Jena, Germany
6.Max Planck School of Photonics, Albert-Einstein-Str. 15, 07745 Jena, Germany
1 引言
在可用于集成非线性和量子光子学的材料中，磷化镓因其独特性能组合而引起了越来越多的关注[1]。GaP在可见光和近红外光谱范围内的折射率超过3，能够在紧凑光子结构中实现强光约束[2]。其2.26 eV的间接带隙在可见光谱的大部分范围内提供宽透明窗口，同时支持强二阶和三阶非线性光学效应[3]。这些特性使GaP对集成非线性光学、可见光子学和量子光子器件极具吸引力[2, 4-8]。
最近在GaP纳米光子学方面的进展已经实现了广泛的光子结构，包括光子晶体腔[8,9]、超表面[10,11]和集成非线性光学及光机械器件[2, 12-15]。高质量的GaP纳米光子器件在可见光和近红外光谱范围内展示了强光约束、低光学损耗和高效非线性相互作用[2]。然而，高质量晶体GaP薄膜与绝缘衬底的可扩展集成仍然是一个重大挑战[16]。大多数已展示的GaP光子平台依赖于通过分子束外延[4, 17]或金属有机化学气相沉积[18]制造的外延生长GaP/AlGaP异质结构，随后进行选择性牺牲层去除和薄膜转移过程。虽然这些方法已经实现了高性能光子器件，但它们本质上依赖于预定义的外延薄膜叠层和衬底特定的层生长架构，限制了衬底选择和异质集成策略[16]。
直接晶圆键合已成为将GaP薄膜与绝缘衬底集成的一条有吸引力的途径，特别是在与氧化物中间层结合时[4]。然而，先前展示的键合GaP光子平台仍然主要依赖于源自牺牲层转移过程的外延生长薄膜结构[19]。相比之下，晶体离子切片通过将活性GaP薄膜与原始生长衬底解耦，实现了晶体薄膜的灵活转移。虽然CIS在其他半导体材料系统中已广泛建立，但其在GaP光子集成中的应用仍相对未被探索[20, 21]。
在此，我们展示了使用CIS和等离子体激活直接晶圆键合在二氧化硅和SiO₂/Si衬底上制造高质量绝缘体上GaP薄膜。转移的薄膜表现出均匀、缺陷最小化的键合界面和光滑的离子切片表面。在GaP薄膜转移和退火后，注入引起的晶体损伤显著减少，将薄膜恢复到接近块体的晶体质量，残余应变低。它们的折射率在可见光和近红外光谱范围内与块体GaP非常接近，在电信C波段1550 nm处估计平面波吸收损耗仅为0.9 dB/cm。该方法为低损耗、高质量GaP薄膜光子学建立了一条可扩展途径，与多种异质集成和后端CMOS工艺兼容。
2 结果与讨论
为了获得约800 nm厚的GaP薄膜，采用了如图1a示意性说明的CIS工艺。制备了两个(100)取向、单面抛光的1×1 cm² GaP单晶衬底作为施主样品。这些样品分别进行了氦离子注入和氢/氦共注入，以创建能够实现受控剥离的埋入损伤层。He⁺注入在105 keV动能下进行，而H⁺离子在70 keV下注入，He⁺和H⁺均保持1×10¹⁷ ions cm⁻²的固定注量。
如图1a所示，CIS顺序如下（不同步骤的详情请参阅方法部分）：离子注入后(1)，在GaP表面沉积700 nm二氧化硅中间层(2)以促进后续键合并作为粘附和机械支撑层。然后使用等离子体激活直接键合将注入的施主晶圆直接键合到受主衬底上(3)，受主衬底可以是具有3 µm SiO₂薄膜的热氧化硅晶圆（对该方法对任何其他具有SiO₂表面层的样品的普遍性没有限制）或熔融石英衬底，取决于预期的光子平台。在键合之前，施主（SiO₂涂覆的注入GaP）和受主衬底都经过严格的表面准备，包括化学机械抛光和标准化湿法清洗方案，以实现直接晶圆键合所需的亚纳米表面粗糙度和高表面能。键合后，在空气中常规炉中进行受控热退火，诱导氢和氦相关气泡形成和沿弱化埋入层的裂纹扩展，在350°C下约3小时后导致GaP薄膜剥离并转移到目标衬底上(4)。薄膜转移后，样品在真空中进行600°C高温退火(4)，这用于重构GaP晶格，减少注入引起的点缺陷和位错复合体，并将结晶度恢复到类似块体的结构质量。
图1b显示了所应用He⁺和H⁺注入参数的TRIDYN模拟结果。非对称高斯拟合表明He和H离子的投影离子范围分别位于GaP表面以下844.5 nm和806.5 nm处，纵向离散约为200 nm半高全宽。该深度分布与目标薄膜厚度非常匹配，并确保在预期的解理面内实现最佳能量沉积和缺陷积累。
图1. 制造工艺流程和投影离子范围： (a) 晶体离子切片和等离子体激活直接键合工艺流程。(b) TRIDYN计算的105 keV He离子和70 keV H离子以1×10¹⁷ cm⁻²注量注入GaP晶体的深度分布。虚线显示了使用分裂（非对称）高斯函数对曲线的拟合。
在晶圆键合和热剥离之后，注入的GaP层成功转移到相应的目标衬底上。He⁺注入的施主晶圆键合到热氧化Si/SiO₂衬底上，而H⁺/He⁺共注入的施主晶圆键合到熔融石英上。图2a和2b分别显示了两个转移层的红外透射和光学显微镜图像。
如图2a所示，He⁺注入样品的IR透射图像在键合区域内没有显示扩展的界面空隙。然而，相应的OM图像显示了一个不连续的GaP层，包含大量材料未转移的圆形区域，导致多孔外观。这些缺陷的局域性质可能由几个因素引起，包括表面粗糙度、颗粒污染、界面键合的局域变化，或热剥离过程中裂纹萌生和扩展的空间变化。现有数据无法区分这些可能机制的相对贡献。
图2b所示的H⁺/He⁺共注入样品在IR透射图像中也显示出几乎无空隙的键合界面，除了黄色箭头标记的单个孤立缺陷。该缺陷可能例如源自灰尘颗粒或其他局域表面缺陷。与He⁺注入样品相比，相应的OM图像显示在目标衬底上基本上是连续和均匀的GaP层。
这些观察表明，使用两种注入和键合配置都实现了GaP层转移，尽管所得薄膜表现出显著不同的连续性程度。由于两个实验在注入条件和目标衬底上均不同，H⁺/He⁺共注入样品的改善连续性不能唯一归因于共注入过程。衬底依赖的表面性质、表面准备、局域污染和界面键合的差异也可能对观察到的转移形貌有贡献。需要进行涉及相同目标衬底上重复实验的系统比较，以分离这些影响并确定注入条件的影响。
尽管如此，H⁺/He⁺共注入为促进受控层分离提供了一种物理上合理的机制。在热退火过程中，注入的氢可以促进含H₂薄片的形成和生长，而氦可以与注入诱导的空位相互作用，有助于地下缺陷簇的稳定和加压。它们的联合作用可能促进埋入断裂面的形成并促进层分离。这里观察到的共注入薄膜相对较高的连续性与该机制一致，尽管目前的结果并不证明共注入是两个样品之间差异的唯一或主导原因。
总之，结果确立了在各自工艺条件下使用He⁺注入和H⁺/He⁺共注入进行GaP薄膜转移的概念验证。在所研究的样品中，转移到熔融石英上的H⁺/He⁺共注入GaP层表现出更大的薄膜连续性，因此被选用于后续分析。此选择基于所获得样品的质量，不应被解释为对两种注入方案或目标衬底的普遍比较。然而，在可用的情况下，键合到Si/SiO₂上的GaP薄膜的补充表征结果在支持信息中提供。
图2c显示了熔融石英上GaP薄膜的横截面SEM图像。在检查的横截面中，GaP薄膜与键合SiO₂层之间，以及SiO₂层与熔融石英衬底之间的界面看起来连续且没有可分辨的空隙。测量的GaP薄膜厚度约为790 nm，与图1b所示模拟中获得的H⁺和He⁺投影离子范围非常一致。SiO₂层的测量厚度约为700 nm，而沉积后的标称厚度为700 nm，在随后的化学机械抛光过程后预期约为670 nm。
离子切片和转移后残留的表面形貌在SEM图像中可见，并通过原子力显微镜进行更详细的检查。图2d所示的AFM测量在10×10 µm²区域上进行，提供了转移GaP表面的局域评估。获得了约4.9 nm的RMS粗糙度，表明研究区域内存在纳米级表面粗糙度。该结果为评估在后续微加工或器件处理步骤之前是否需要进一步表面处理提供了参考。
图2e显示了退火后键合到熔融石英上的GaP薄膜的照片。大部分薄膜上相对均匀的宏观外观和光学透射与图2b中的IR透射和OM观察一致。黄色箭头标记的孤立缺陷的位置对应于IR透射图像中识别的缺陷位置。
图2. 表面和键合界面表征： (a) He⁺离子切片GaP薄膜键合到Si上SiO₂上的IR透射（顶部）和表面区域光学显微镜（底部）。(b) He⁺/H⁺离子切片GaP薄膜键合到熔融石英上的IR透射（顶部）和表面区域光学显微镜（底部）。比例尺分别为3 mm（顶部）和8 µm（底部）。(c) 层叠横截面的SEM倾斜视图。箭头指示的GaP薄膜和SiO₂层厚度分别为790 nm和670 nm。(d) AFM表面形貌和(e) 熔融石英上He⁺/H⁺离子切片GaP薄膜的照片（退火后）。
图3显示了原始块体GaP（图3a）、晶体He⁺/H⁺离子切片并键合到熔融石英衬底上的GaP薄膜（图3b），以及在真空中600°C退火12小时后的相同键合GaP薄膜（图3c）的(224)倒易空间图。在每个图中，黑色空心圆圈表示从数据的二维高斯拟合获得的峰位置，而黑色叉号表示原始块体GaP的倒易晶格坐标（Q_x/(2π) = 5.1917 nm⁻¹，Q_z/(2π) = 7.3380 nm⁻¹）。因此，叉号在图3a中与拟合峰中心重合，而在图3b和3c中观察到的圆圈和叉号之间的偏移表示与原始块体GaP晶格的偏差。
图3. GaP在剥离、键合和退火前后的结构研究。 (a) 原始块体GaP，(b) He⁺/H⁺共注入、剥离和键合GaP薄膜，以及(c) 相同样品在真空中600°C退火12小时后的(224)反射附近GaP的倒易空间图（对数强度标度）。(d) 块体GaP、He⁺/H⁺离子切片和键合GaP薄膜退火前，以及薄膜在真空中600°C退火12小时后的拉曼光谱。
原始块体GaP晶体（图3a）显示出尖锐的衍射峰，具有最小的漫散射，这是高质量单晶的特征。窄的拟合宽度FWHM(Q_x)/(2π) = 1.63×10⁻³ nm⁻¹和FWHM(Q_z)/(2π) = 5.05×10⁻³ nm⁻¹证实了原始块体材料优异的晶体质量和低缺陷密度。
在晶体离子切片和直接键合到熔融石英后（图3b），衍射峰变得明显更宽，并伴随着布拉格反射周围延伸的显著漫散射。峰主要沿Q_z/(2π)方向拉长，表明面外晶格参数分布增加。拟合峰保持在基本相同的面内倒易坐标（Q_x/(2π) = 5.1917 nm⁻¹），但向较低的面外倒易坐标（Q_z/(2π) = 7.3259 nm⁻¹）偏移。Q_z/(2π)的减少清楚地反映了面外晶格参数的膨胀，可能是由于注入离子的存在。峰宽增加到FWHM(Q_x)/(2π) = 2.84×10⁻³ nm⁻¹和FWHM(Q_z)/(2π) = 8.42×10⁻³ nm⁻¹，显示了伴随长程有序减少的显著注入诱导应变梯度。增强的漫散射进一步确认了晶体离子切片和键合过程中引入的注入诱导缺陷的存在。
在真空中600°C退火12小时后（图3c），衍射峰移回原始块体GaP倒易晶格位置附近，拟合峰位于(Q_x, Q_z)/(2π) = (5.1897, 7.3385) nm⁻¹，表明注入引起的晶格应变已基本释放。视觉上，布拉格峰周围的漫散射与键合后薄膜相比仅在形状上发生变化，表明剩余的晶格均匀性降低。衍射峰看起来更对称且以标称GaP倒易晶格位置为中心，尽管它明显比原始块体GaP和退火前薄膜更宽（FWHM(Q_x)/(2π) = 1.14×10⁻² nm⁻¹，FWHM(Q_z)/(2π) = 1.30×10⁻² nm⁻¹），可能表明剩余应变梯度。
图3d显示了块体GaP、He⁺/H⁺离子切片和键合GaP薄膜退火前，以及薄膜在真空中600°C退火12小时后的拉曼光谱。原始GaP谱显示了晶体GaP的特征横向光学和纵向光学声子模式[22]。伪Voigt拟合得到TO线宽为5.44 ± 2.18 cm⁻¹，LO线宽为5.63 ± 0.27 cm⁻¹。
在晶体离子切片和键合后，LO声子仍然清晰可见，确认了晶体GaP相的保留，但拉曼光谱显著展宽并叠加在升高的背景上，表明注入诱导的晶格无序、应变不均匀性和缺陷辅助散射。拟合显示LO线宽增加到12.13 ± 0.88 cm⁻¹，与显著的结构损伤和增加的声子散射一致。虽然拟合程序在最大允许线宽（30 cm⁻¹）的上拟合边界（380 cm⁻¹）处返回了一个TO峰，但该分量不代表物理分辨的TO声子，而是反映了与无序相关的宽背景。因此，未退火样品的拟合TO线宽不被认为具有物理意义，并从讨论中排除。
在600°C退火12小时后，拉曼光谱表现出无序相关背景的显著减少以及明显更尖锐的声子特征。LO线宽减小到3.97 ± 0.46 cm⁻¹，证明了晶体序的显著恢复和局域应变波动的减少。TO声子在357.12 ± 1.14 cm⁻¹处再次清晰分辨，线宽为8.31 ± 3.14 cm⁻¹，表明在转移后薄膜中被掩盖的晶格振动恢复。
总体而言，拉曼结果提供了定量证据，证明热退火有效减少了注入引起的缺陷，恢复了明确的光学声子模式，并显著改善了转移GaP薄膜的结构质量。这些观察与倒易空间映射结果非常一致，后者同样证明了退火后注入引起的晶格应变的释放和晶体序的恢复。
与He⁺注入薄膜（其XRD和拉曼结果见补充图S1及后续讨论）相比，He⁺/H⁺共注入薄膜表现出更大的初始面外晶格膨胀和更强的注入诱导无序，如其退火前更大的负ΔQ_z和更宽的LO拉曼线宽所示。退火后，两种薄膜都基本恢复到原始块体GaP晶格位置。然而，退火后的He⁺注入薄膜在SiO₂/Si上显示出更窄的RSM峰宽，表明较低的残余应变不均匀性。两种薄膜在退火后都表现出同样窄的LO声子线宽，证明了在两种情况下长程晶体序的显著恢复。
图4： He⁺/H⁺共注入、离子切片GaP薄膜键合到熔融石英上在600°C退火12小时前后的复折射率光谱依赖性。上图和下图分别显示折射率n和消光系数k。结果与原始块体GaP和直接在蓝宝石上生长的晶体GaP文献数据[17]进行了比较。下图中的红色虚线显示了退火薄膜中波长相关的平面波传播损耗。
图4比较了原始块体GaP、He⁺/H⁺共注入和键合GaP薄膜退火前后，以及Khmelevskaia等人[17]报道的直接生长蓝宝石上晶体GaP薄膜的复折射率 N = n + ik。未退火的转移薄膜表现出系统性低于原始块体GaP的折射率，特别是在近红外区域，同时消光系数升高。这些差异归因于注入引起的缺陷、应变不均匀性和降低的晶格序，它们改变了介电响应并引入了带隙以下的光学吸收。
在600°C退火12小时后，薄膜的折射率n向块体GaP方向偏移，并在较长波长处与原始块体GaP几乎相同。更重要的是，消光系数在近红外光谱范围内相对于未退火薄膜降低了约一到两个数量级。k的这种强烈降低证明了光学活性注入缺陷的去除或钝化，以及相应的带隙以下光学损耗的减少。在500–600 nm附近观察到的光谱不规则性发生在GaP吸收边附近，此处光学常数强烈色散，椭偏拟合对假定的薄膜厚度、表面粗糙度和界面模型更敏感。
此处测量的原始块体GaP样品在长波长处表现出异常大的消光系数，表明存在显著的缺陷相关吸收，光学质量低于高质量块体GaP的预期。然而，由于小的k值对测量不确定性和椭偏模型假设特别敏感，来自拟合伪影、表面粗糙度或背面反射的贡献不能被排除。因此，所测量的样品不应被视为高质量块体GaP本征吸收极限的代表。Khmelevskaia等人报道的直接生长蓝宝石上GaP薄膜在短波长处也表现出强的带间吸收，尽管其消光系数在透明光谱区域迅速减小。相比之下，退火的离子切片GaP薄膜结合了类似块体的折射率色散和所考虑样品中最低的近红外消光系数。总体而言，椭偏结果证明了退火后显著的光学恢复，并且与RSM和拉曼测量一致，后者独立地揭示了转移GaP薄膜中的应变释放、缺陷减少和晶体序改善。退火薄膜的波长相关平面波传播损耗在下图中以红色虚线显示。假设光完全限制在薄膜内，它代表了材料吸收对波导损耗贡献的上限，在电信波长1550 nm处达到0.9 dB/cm。
3 结论与展望
我们已经展示了一种通过结合晶体离子切片与直接晶圆键合来制造高质量绝缘体上GaP薄膜的方法。该工艺使得晶体GaP薄膜能够转移到熔融石英和SiO₂/Si衬底上，为基于外延生长和牺牲层释放的传统平台提供了一种灵活的替代方案。转移的薄膜表现出光滑的表面和均匀、缺陷最小化的键合界面，适用于后续纳米光子加工。
热退火在离子注入后基本上恢复了GaP的结构和光学性能。拉曼光谱揭示了明确光学声子模式的恢复，而X射线衍射和倒易空间映射显示了改善的晶体序和减少的注入诱导晶格应变。一致地，折射率和消光系数接近晶体GaP。从退火薄膜的消光系数计算的波长相关平面波传播损耗，在电信C波段1550 nm处达到0.9 dB/cm。假设光完全限制在GaP薄膜内，该值代表了材料吸收对波导损耗贡献的上限。
晶圆级可扩展键合工艺为与已建立的光子平台进行异质集成提供了相当大的灵活性。其与绝缘体上硅衬底的兼容性对于硅光子学和CMOS加工特别有吸引力，同时避免了外延GaP生长。GaP的大带隙和高折射率也使该平台在可见光波长应用中具有前景，能够实现更高的集成密度，并接入广泛的光源、量子发射器和高质量电光器件。因此，这种方法可能为下一代有源和量子光子集成电路铺平道路。
4 方法
材料准备与离子注入
将2英寸直径单面抛光GaP(100) [23]切割成1×1 cm²的小样品尺寸。样品在室温下进行He⁺注入和H⁺/He⁺共注入。离子注入在室温下使用空气绝缘500 kV离子注入机进行，配备间接加热阴极离子源（Bernas型）、40 kV提取系统和460 kV后加速单元。He⁺注入能量为105 keV，而H⁺注入能量为70 keV，固定注量为1×10¹⁷ He cm⁻²。注入期间，样品表面法线相对于离子束方向倾斜7°角以避免沟道效应。
X射线衍射
倒易空间图在Rigaku SmartLab 3 kW X射线衍射仪上记录，配备Ge(220)双反射单色器和HyPix-3000探测器，工作在1D模式。入射狭缝设置为0.05 mm。在不对称GaP(224)反射附近采集倒易空间图，以评估转移GaP薄膜的应变状态和晶体质量。
晶圆键合
使用等离子体激活直接键合通过表面原子的直接相互作用来接合衬底，消除了可能损害光学性能的有机粘合层的需要。同时，该方法保留了材料的光学性能，同时提供了机械鲁棒的界面。与CIS结合，PADB因此为制造绝缘体上GaP衬底提供了一条有前景的途径。由于PADB依赖于键合表面之间的原子级接触，需要低表面粗糙度和平整度。10×10 µm²区域上的表面粗糙度应保持在1 nm均方根以下，薄片的平整度应在约1 µm峰谷量级。可使用已建立的模型在处理前评估此类表面的键合适用性[24]。PADB是半导体制造中的成熟技术，已被证明在块体和涂层系统中都能提供高度可靠的SiO₂–SiO₂界面[25]。由于其低折射率，SiO₂也非常适合作为光波导平台的绝缘层。
在GaP上沉积700 nm SiO₂层后，进行化学机械抛光以获得所需的表面质量。AFM粗糙度测量和Fizeau干涉仪平整度测量确认了涂覆的GaP衬底以及氧化硅和熔融石英衬底满足直接键合的要求。键合前，使用为直接键合开发的超声浴辅助程序清洗衬底，包括适应的RCA旋涂清洗步骤。随后使用氮气和氧气进行低压等离子体激活，以增强二氧化硅界面的键合强度。随后在150°C的退火步骤诱导等离子体激活的亲水性SiO₂表面的缩合，导致共价硅氧烷键的形成。退火温度的选择避免了注入层的热分裂，同时仍促进足够的键合强度以实现晶体层的稳定附着。基于先前对涂覆样品的测量，键合强度预计可达块体材料强度的50%。
热处理与层转移
键合过程后，GaP晶体在常规炉中于350°C退火3小时，以启动剥离和转移到目标衬底的过程。转移后，GaP层在常规炉中进行二次退火处理。样品在真空中于600°C退火12小时，以促进结晶度恢复和表面质量改善。
AFM测量
原子力显微镜测量使用Dimension Edge系统（Bruker）进行，工作在轻敲模式以最小化针尖-样品相互作用并在成像期间保持表面完整性。高分辨率形貌数据使用Tap300Al-G硅悬臂获得，该悬臂专为轻敲模式设计，具有约300 kHz的标称谐振频率和针对纳米级表面轮廓优化的力常数。在15×15 µm²区域上进行扫描以捕获中尺度形貌特征，图像以1024×1024像素分辨率记录以确保高保真表面重建。选择0.5 Hz的扫描速率以在采集速度、横向分辨率和信噪比之间实现最佳权衡，从而能够可靠分析精细表面特征。
拉曼映射
退火前后剥离薄片的拉曼映射使用Renishaw inVia拉曼显微镜（Renishaw，英国）在背散射配置中进行，配备532 nm激发激光。样品表面的激光功率被仔细调整以防止样品加热和退化。采用2400 lines/mm衍射光栅以实现适合分辨精细振动特征的高光谱分辨率。拉曼信号通过100×物镜（NA = 0.9）收集，产生约1 µm的横向分辨率。映射在约869.25 µm²（28.5 µm × 30.5 µm）的限定矩形区域上以逐点光栅模式进行，步长为0.5 µm，共获得3596个谱。每个谱以16 s积分时间和单次累积获取，提供高信噪比数据同时保持采集通量。使用520.7 cm⁻¹处的硅作为校准标准以确保整个数据集的波数准确性。
椭偏测量
使用SENTECH椭偏仪进行光谱椭偏测量，以研究GaP薄膜的光学性能和厚度。该系统在400–2200 nm的宽光谱范围内工作，覆盖可见光和近红外区域，能够准确确定色散光学常数。使用约2 mm的光束直径进行测量，以确保在代表性表面区域上进行空间平均，从而最小化局域厚度变化或注入诱导不均匀性的影响。椭偏数据（Ψ和Δ）在40°、50°和60°的多个入射角下获取，以增强光学模型拟合的可靠性和唯一性，并减少回归分析期间参数交叉相关。偏振器设置在+45°和−45°的固定取向，实现对偏振相关反射率变化的最佳灵敏度，而分析器以8步旋转。椭偏数据使用Cody-Lorentz色散模型[26,27]进行拟合。
补充信息：用于光子应用的晶体离子切片GaP薄膜的直接晶圆键合
图S1. GaP在剥离、键合和退火前后的结构研究。 (a) 原始块体GaP，(b) He⁺注入、剥离和键合GaP薄膜，以及(c) 相同样品在真空中600°C退火7小时后的(224)反射附近GaP的倒易空间图（对数强度）。(d) 块体GaP、He⁺离子切片和键合GaP薄膜退火前，以及薄膜在真空中600°C退火7小时后的拉曼光谱。
图S1显示了原始块体GaP（图S1a）、晶体He⁺离子切片并键合到熔融石英衬底上的GaP薄膜（图3b），以及相同键合GaP薄膜在真空中600°C退火7小时后（图3c）的(224)倒易空间图。在每个图中，黑色空心圆圈表示从数据的二维高斯拟合获得的峰位置，而黑色叉号表示原始块体GaP的倒易晶格坐标（Q_x/(2π) = 5.1917 nm⁻¹，Q_z/(2π) = 7.3380 nm⁻¹）。因此，叉号在图3a中与拟合峰中心重合，而在图3b和3c中观察到的圆圈和叉号之间的偏移表示与原始块体GaP晶格的偏差。
原始块体GaP晶体（图3a）显示出尖锐的衍射峰，具有最小的漫散射，这是高质量单晶的特征。窄的拟合宽度FWHM(Q_x)/(2π) = 1.63×10⁻³ nm⁻¹和FWHM(Q_z)/(2π) = 5.05×10⁻³ nm⁻¹证实了原始块体材料优异的晶体质量和低缺陷密度。
在晶体离子切片和直接键合到熔融石英后（图S1b），衍射峰变得明显更宽，并伴随着布拉格反射周围的显著漫散射。散射主要沿面外方向拉长，表明与注入诱导应变和结构无序相关的晶格间距分布增加。拟合峰偏移到(Q_x, Q_z)/(2π) = (5.1912, 7.3321) nm⁻¹。Q_z/(2π)的显著减少表明与原始块体GaP相比面外晶格参数膨胀，可能是由于注入离子的存在，但不如He⁺/H⁺注入薄膜（图3b）显著。拟合峰宽增加到FWHM(Q_x)/(2π) = 2.49×10⁻³ nm⁻¹和FWHM(Q_z)/(2π) = 8.11×10⁻³ nm⁻¹，表明离子切片和键合过程中引入的显著注入诱导应变展宽和增加的晶格无序。
在真空中600°C退火7小时后（图S1c），衍射峰移回更接近标称块体GaP倒易晶格位置，拟合峰位于(Q_x, Q_z)/(2π) = (5.1910, 7.3362) nm⁻¹，表明注入诱导晶格畸变的显著恢复，特别是在面外方向。与未退火薄膜相比，漫散射晕改变形状，布拉格反射显得更局域化。拟合峰宽减小到FWHM(Q_x)/(2π) = 2.73×10⁻³ nm⁻¹和FWHM(Q_z)/(2π) = 6.88×10⁻³ nm⁻¹。这些值接近原始块体GaP，表明热退火有效释放了应变并改善了转移GaP层的晶体质量。
总体而言，倒易空间图表明离子切片和键合过程引入了晶格应变和结构无序，而键合后退火有效地释放了大部分注入诱导应变，将转移的GaP薄膜带到更接近块体晶体的结构状态。
图S1d显示了原始块体GaP、He⁺离子切片和直接键合GaP薄膜退火前，以及转移薄膜在真空中600°C退火7小时后的拉曼光谱。原始GaP谱显示了晶体GaP的特征横向光学和纵向光学声子模式，具有尖锐且明确的拉曼峰，表明优异的晶体质量。伪Voigt拟合得到TO和LO峰位置分别为356.78 ± 0.58 cm⁻¹和396.14 cm⁻¹，相应的半高全宽分别为5.44 ± 2.18 cm⁻¹和5.63 ± 0.27 cm⁻¹。
在He⁺晶体离子切片和直接键合后（未退火薄膜），拉曼光谱表现出显著升高的背景以及展宽的声子特征，反映了注入诱导的晶格无序、应变不均匀性和缺陷辅助散射。虽然TO和LO模式仍然可观察，但TO峰移动到354.58 ± 2.69 cm⁻¹并展宽到9.11 ± 7.38 cm⁻¹，而LO线宽增加到8.84 ± 0.84 cm⁻¹。
在600°C退火7小时后，拉曼光谱显示出晶体质量的显著恢复。背景散射显著减少，两种声子模式变得尖锐和更突出。TO声子移动到358.29 ± 0.72 cm⁻¹，线宽减小到6.46 ± 1.98 cm⁻¹，而LO声子线宽显著降低到3.88 ± 0.38 cm⁻¹，变得甚至比原始块体晶体更窄。
总体而言，拉曼分析表明He⁺晶体离子切片和键合引入了显著的晶格无序和声子展宽，而键合后退火有效释放了注入引起的损伤，减少了局域应变波动，并恢复了转移GaP薄膜的晶体质量。这些观察与倒易空间映射结果极好一致，后者同样显示退火后晶格应变减小和结构序改善。
