#微转印 #异质集成 #氮化硅光波导
摘要
将集成光子学扩展到蓝色光谱范围需要高性能光源，这使得氮化镓（GaN）材料家族不可或缺。虽然氮化硅（SiN）平台为可见光波长提供了稳健、CMOS 兼容的无源生态系统，但无缝集成 GaN 激光器仍然是一个主要瓶颈。传统的异质集成方法呈现出不同的权衡：全晶圆键合实现了高吞吐量，但需要小心管理大面积上的热失配和晶格失配，而倒装芯片键合通过预测试确保了高良率，但受到顺序处理速度的限制。在这种背景下，微转印印刷（MTP）作为一种颠覆性的、材料高效的替代方案出现，通过将高密度并行集成与已知良好芯片选择相结合，绕过了这些限制。然而，将 MTP 应用于 GaN 提出了重大的材料挑战：由于其化学惰性和强 III–N 键，器件释放通常依赖于电化学刻蚀，这可能损害材料质量。在此，我们克服了这一障碍，并展示了首个在 SiN 平台上的微转印印刷蓝色激光器。使用重掺杂 n 型牺牲层以及优化的电化学刻蚀条件，我们从块体 GaN 衬底释放出表面光滑的薄膜光源。释放后，器件被集成并对接耦合到 SiN 叉形边缘耦合器，实现了超过 20 kA/cm² 的高电流密度，同时在 455 nm 处实现激光发射。这些结果扩展了可见光集成光子学工具包，并建立了多波长集成的框架，为流式细胞术、量子计算、光通信和增强/虚拟现实等下一代技术开辟了新途径。
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文章名：Micro-transfer Printed Blue InGaN Lasers on Silicon Nitride Photonic Integrated Circuits
作者：Konstantinos Akritidis¹,², Krzysztof Gibasiewicz³, Han Wang¹,², Iryna Levchenko³, Max Kiewiet¹,², Maximilien Billet¹,², Mikołaj Chlipała³, Karolina Peret-Malessa³, Pol Van Dorpe², Henryk Turski³, and Bart Kuyken¹,²
单位：¹Photonics Research Group, INTEC Department, Ghent University–imec, 9052 Ghent, Belgium ²imec, Kapeldreef 75, 3001 Leuven, Belgium ³Institute of High Pressure Physics Polish Academy of Sciences, PAS, 01-142 Warsaw, Poland
1 引言
可见光集成光子学标志着现代光学的关键转变，开启了一类新型超紧凑、高效、低噪声的光学系统 [1–3]。在量子信息科学中，囚禁离子和中性原子系统的规模化严重依赖于精确的可见光波长，以从笨重、振动敏感的实验室台面过渡到稳健、可大规模制造的芯片级架构。例如，在 ⁸⁸Sr⁺ 系统中，离子加载和控制需要集成 405 nm 和 461 nm 激光器 [4]，而驱动镱离子中的 435.5 nm 跃迁对于开发光学原子钟至关重要 [5]。与量子进展并行，生命科学从可见光光子集成中受益匪浅；专门的 488 nm 光源对于高通量生物光子学至关重要，使得通过芯片实验室流式细胞术和荧光寿命成像进行细胞级生物传感成为可能 [6–8]。此外，消费和工业市场需要高效的可见光源，其中真正的 450 nm 蓝色发射器对于实现下一代增强、虚拟和混合现实（AR/VR/MR）显示器的超密集像素架构和高亮度需求至关重要 [9]。同时，400-530 nm 光谱窗口在水中衰减最小，将这些紧凑的可见光源定位为高带宽水下光学无线通信（OWC）和局部海洋 LiDAR 系统的关键使能者 [10,11]。然而，实现这一广泛颠覆性应用谱系取决于高性能氮化镓（GaN）基光源的可扩展和可靠集成。
此类片上系统的基础建立在宽带隙介电无源波导平台上。虽然传统的绝缘体上硅（SOI）技术主导着电信频段，但硅的窄带隙导致在可见光谱范围内具有过高的光学吸收。因此，必须利用替代介电材料来提供低损耗路由框架。其中，氮化硅（SiN）因其超宽带隙、CMOS 兼容性、与电子器件的无缝协同集成 [12] 以及超低传播损耗（在 405 nm 处达到亚 dB/cm [13]）而已成为光子集成电路（PIC）的首选候选者。利用氧化铝（AlOₓ）等材料的互补代工平台也已开发，进一步将操作扩展到深蓝色和近紫外区域 [14]。然而，由于这些宽间接带隙介电材料缺乏固有光学增益，它们本质上仍然是无源的，无法发光或放大。
图1：(a) 微转印印刷技术的概念图。源晶圆包含数千个预制器件。弹性体印章拾取激光巴条（可以并行化为阵列以实现高吞吐量）并将其转移到硅基衬底上。(b) 在可见光谱范围（400-750 nm）内发射的异质集成光源的代表性示例。(c) 通过将 GaN 基激光光源可扩展集成到 PIC 上而解锁的关键技术领域。
为了弥合这一材料差距并将光学增益引入无源介电平台，已经探索了几种集成策略。在原生 GaN 或蓝宝石衬底上的单片生长在商业上已经成熟 [15]，但在 CMOS 兼容平台（如 SiN 或 AlOₓ）上的直接外延，尽管取得了有前景的进展 [16]，仍然受到严重的热/晶格失配和穿透位错密度的困扰，这显著限制了器件良率。混合芯片到芯片边缘耦合提供了优越的热管理和高光学输出功率 [17]，但其低吞吐量阻碍了中高批量制造。因此，异质集成已成为桥接无源和有源功能的主要范式。倒装芯片键合能够集成预制、预测试的器件，如蓝色 InGaN 激光器在 SiN 中介层上的演示 [18, 19]，但其顺序性质（通常每小时 100 个激光单元 [20]）将其使用限制在低批量应用中。相反，尽管晶圆键合实现了超高吞吐量，但它无法进行预测试，遭受大量材料浪费，并且对于蓝色 GaN-on-SiN 激光器仍处于早期开发阶段 [21-23]。微转印印刷（MTP）提供了一种可扩展的替代集成路线，通过实现器件从其原生衬底的高并行转移（图1(a)），同时保持与已知良好芯片预测试策略的兼容性 [24]。此外，它最大化了材料效率，这对于昂贵的 III 族氮化物平台是一个关键因素，并提供了后道兼容性，允许器件集成而不对超净制造线引入污染风险。
虽然 MTP 已成功应用于各种材料平台和器件架构 [25]，但其向 GaN 基光电子学的扩展仍然异常具有挑战性。与利用成熟的、高选择性湿化学释放层的传统 III-V 族材料（如砷化镓（GaAs）或磷化铟（InP））不同，III 族氮化物的极端化学惰性和强共价键合排除了标准的各向同性湿法底切。这需要更苛刻的释放机制，例如在酸性介质中的电化学底切。因此，GaN 基器件的 MTP 迄今为止仅限于发光二极管（LED）[26, 27]，其要求远低于激光系统，在激光系统中，光学端面质量、镜面涂层保护和波导损耗对于达到激射阈值至关重要。
在本工作中，我们通过开发一种针对 GaN 基激光二极管量身定制的稳健释放工艺克服了这一瓶颈，使得首个通过优化的叉形边缘耦合器集成在氮化硅光子集成电路上的微转印印刷蓝色激光器的原理验证演示成为可能。这些结果在材料工程、并行微组装和光电子学的交叉点上建立了一个跨学科里程碑，为量子计算、增强现实显示和生物传感领域的完全集成可见光子系统铺平了道路（图1(b, c)）。
2 材料与方法
2.1 GaN 基器件的电化学释放
微转印印刷依赖于在牺牲释放层上生长功能性器件，该释放层可以被选择性去除而不损坏周围结构。释放后，器件通过介电系留悬浮在其原生衬底上方，系留设计为在使用聚合物印章拾取期间在指定点确定性断裂 [32]。然而，将该工艺扩展到 III 族氮化物器件，特别是 GaN 基激光二极管，提出了根本性的材料挑战。由于极强的 Ga–N 共价键和 III 族氮化物的化学惰性，传统的湿化学蚀刻剂无法实现所需的横向蚀刻，因此需要开发其他方法，如电化学蚀刻 [33–35]。
牺牲层去除程序，在我们之前关于微 LED 释放和转移的工作中已有报道 [26]，作为此处展示的激光二极管工艺的基线。电化学底切在含有 0.3 M 草酸的三电极池中进行，并在恒定磁力搅拌下，如图2(a)所示。GaN 样品用作工作阳极，而铂网用作对阴极。参比电极监测半导体-电解质界面上的精确电位降，以维持受控的蚀刻动力学。在施加正偏压下，空穴被输送，根据 [35] 驱动半导体的氧化和溶解：
电化学底切对于激光二极管的要求远高于 LED，因为它需要维持几个高度敏感特征的完整性，包括腔端面、长而窄的 p-n 结台面以及已加工的欧姆接触，同时在整个释放过程中防止电解质引起的损伤。为了实现高横向蚀刻选择性，同时最小化结构损伤，采用了重锗（Ge）掺杂的 In₀.₀₃Ga₀.₉₇N 牺牲释放层。与传统的硅掺杂不同，重 Ge 掺入实现了超高浓度 [26, 36] 而不会引起严重的晶格应变，显著降低了所需的击穿电位。
图2：(a) 用于 GaN 基有源器件电化学底切的装置示意图。(b) GaN 基激光二极管的外延层堆叠，详细说明了层组成和掺杂。(c-e) 光学显微镜图像，显示 (c) 源晶圆上带有解理端面的悬浮激光芯片，(d) 拾取激光二极管的背面，(e) 集成激光器。(f) 不同脊宽的代表性转移激光器的电流密度和绝对电流与电压特性。
InGaN:Ge 释放层与相邻标准 n–GaN 包层之间自由载流子密度的巨大差异使得直接、高选择性的电抛光成为可能。外延堆叠以及化学组成和掺杂详见图2(b)。值得注意的是，释放层由两个不同的掺杂水平组成，最高密度位于层的上部，以确保蚀刻底面尽可能高的平滑度，这对于后续集成步骤至关重要。
电化学蚀刻在 100 µm 厚的样品上进行，样品经过机械减薄以实现可靠的解理。加工件宽度约为 1 mm，长度为 1-2 cm，包含在蚀刻前通过解理端面限定为 1 mm 腔长的激光二极管。在 2.5 V 的施加偏压下，激光芯片的完全无残留底切在 5 小时内实现，产生超光滑的释放界面。器件封装使用通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）沉积的三层介电层（SiO₂/SiN/SiO₂）实现。为了引导横向蚀刻前沿，将旋涂的光刻胶层图案化，以沿激光巴条的一侧打开单个纵向沟槽，强制实现单向电解质进入。光刻胶剥离后完全释放的带有解理光学端面的 GaN 激光器如图2(c)所示。
由于我们研发工艺环境中较低密度介电沉积导致的孔隙率增加，长时间的电解质暴露可能导致 n 接触界面处的局部化学侵蚀和分层。该层比 p 型金属化层脆弱得多，后者在脊形波导顶部得到更好的保护。为了规避这一限制，采用了集成后金属化方案：印刷的芯片仅携带 p 接触，将 n 接触沉积推迟到转移后道加工阶段。虽然这种模块化制造流程与晶圆级标准光子集成电路制造完全兼容，但在未来迭代中优化介电薄膜密度将简化后处理，可能降低 n 型接触电阻，并且关键的是，将能够在集成前进行预测试和已知良好芯片筛选，以进一步最大化良率。
对拾取芯片背面的检查，如图2(d)所示，证实了非常光滑、无残留的表面。最小化背面粗糙度至关重要，因为它在印刷期间最大化了与目标衬底的界面接触面积和范德华粘附。这种高表面质量使得直接键合成为可能，而在粘合剂辅助印刷的情况下，它显著降低了所需的粘合剂层厚度，从而减轻了由聚合物粘合剂（如 DVS-BCB（二乙烯基硅氧烷-双-苯并环丁烯））较差的热导率引起的热约束。
为了评估转移印刷器件的电学质量，对集成的 GaN-on-silicon 激光二极管进行了直流电流-电压表征（图2(e)）。芯片的脊宽为 2、5 和 10 µm，腔长约为 1 mm。所得特性以绝对电流和电流密度与电压的关系绘制，如图2(f)所示。器件表现出高电流操作，在约 7 V 的正向偏压下电流密度超过 20 kA/cm²，仅受源表最大输出（1050 mA）的限制。在非理想器件中观察到的反向偏压泄漏主要归因于由具有挑战性的光刻剥离工艺引起的沿脊周边的金属重叠，这可能产生跨 p-n 结的局部寄生电流路径。
2.2 SiN 叉形边缘耦合器的设计与优化
图3：(a) 异质集成、对接耦合的蓝色激光器在氮化硅上的示意图。(b, c) 二维有限差分本征模色图，显示了在 455 nm 波长下，2 µm 宽脊激光二极管与以下结构之间的功率耦合：(b) 不同横截面的 SiN 波导；(c) 在 50% 占空比下具有不同间距和尖端数量的 SiN 叉形结构。对于 110 nm 的 SiN 厚度，叉形结构中的功率耦合显著增加（值由星号符号表示）。(d) 各个结构的模式分布，计算出的功率耦合值标注在图中。(e) GaN 到 SiN 耦合的模拟 3D FDTD 透射随占空比和相对于标称值的厚度变化。(f) GaN 到 SiN 耦合的归一化 3D FDTD 透射随集成过程中沿 x、y 和 z 轴失配的变化。
GaN 蓝色激光器与 SiN 光子集成电路的光子集成通过对接耦合架构实现。激光芯片集成在硅凹槽上，允许有源区与 SiN 波导芯之间精确的垂直对准，如图3(a)示意性所示。虽然倏逝耦合在近红外波长下被广泛采用，但其在可见光频率下的实施受到 SiN（n ≈ 2）和 GaN（n ≈ 2.7）之间折射率失配的制约，这排除了直接满足相位匹配条件的可能性。尽管在 980 nm 下已使用中间介电层来桥接 GaAs 和 SiN 之间的折射率差距 [37]，但由于严格的折射率约束和光学吸收，在 450 nm 下寻找合适的材料异常具有挑战性。或者，虽然可以通过积极减薄激光器的 n 接触包层并定义超尖锐锥形来实现无中间层的绝热耦合，但这种方法增加了 n 接触薄层电阻，从而降低电学性能，并引入敏感的制造步骤，直接抵消了微转印印刷的高良率、晶圆级优势。相比之下，对接耦合通过通用接口规避了这些材料限制，同时利用与硅衬底的直接接触实现优越的散热，绕过了下方埋氧层的高热阻 [38, 39]。
为了优化跨界面的光功率传输，使用有限差分本征模（FDE）模式重叠仿真，在广泛的参数空间内评估了 GaN 激光器输出与 SiN 条形波导之间的功率耦合。这些仿真假设完美对准和零耦合间隙，并且仅考虑模式和折射率失配，从而提供了可实现性能的上限。图3(b)绘制了耦合效率作为波导芯厚度（50-300 nm）和宽度（0.1-4 µm）的函数。高耦合值（>85%）仅限于两个极端区域：超薄（50-60 nm）或厚（280 nm）芯，使中间薄膜厚度严重失配。尽管非常薄的薄膜在垂直方向上扩展模式从而产生高耦合效率，这是一种先前在 GaN 基倒装芯片集成激光器中展示的策略 [18]，但它们受到模式限制差的困扰，并且需要过大的弯曲半径，损害了电路占用面积。相反，在 455 nm 操作下的厚 SiN 层引入了高阶模式激发和偏振不稳定性，使得单模操作难以维持。
为了解决这一性能权衡，实施了多尖端叉形 SiN 边缘耦合器 [40, 41]，它在中等芯厚度下扩展导模。将薄膜厚度固定在中间区域（110 nm）并保持 50% 占空比，我们系统地改变了尖端间距和尖端数量，实现了接近 92% 的功率耦合（图3(c)）。为了保持与标准深紫外（DUV）光刻工艺的制造兼容性，在参数空间内强制了 240 nm 的最小间距，确保最小特征尺寸为 120 nm，进而产生最佳数量的十三个尖端。GaN 激光发射、标准 110 nm SiN 波导和工程化叉形耦合器的模式分布在图3(d)(i-iii)中进行了比较。通过局部调整有效折射率，叉形耦合器有效地使光场离域以匹配激光分布，提供高耦合效率而不产生占用面积损失或高阶模式激发。此外，这种多尖端配置提供了一个强大的起始几何结构，可以通过逆向设计算法进一步优化，以提高耦合效率和制造公差。
为了评估耦合器对结构和位置（集成引起的）变化的鲁棒性，进行了 3D 时域有限差分（FDTD）灵敏度仿真。具体来说，我们研究了叉形耦合器几何结构的变化，即其厚度和占空比，以及集成期间的位置对准。相应的结果如图3(e)和(f)所示。在所有情况下，考虑 455 nm 波长，并假设已进行 BCB 平坦化以填充集成激光器与 SiN 波导之间的任何间隙。层厚度变化 ±10%，保守地考虑了成熟代工厂为 200 mm 晶圆上 SiN 沉积提供的典型约 5% 厚度公差 [37]。在该范围内，从激光二极管到耦合器基模横电（TE）模式的透射保持高度稳健。接下来，叉形尖端的占空比从 20% 变化到 100%（其中 100% 对应于标准直波导）。制造中的此类占空比变化通常源于光刻线宽波动、光学邻近效应或过/欠蚀刻。如预期的那样，增加占空比会减少模式扩展，导致较差的耦合效率。相反，将占空比降低到 50% 以下最初会产生透射的轻微改善，随后在较低值处迅速下降，这是由于垂直模式扩展增加同时横向模式尺寸减小，降低了与激光分布的空间模式重叠。这种行为引入了不对称的容差曲线，在测试范围内最大额外损耗为 1.5 dB。重要的是，虽然该参数扫描跨越了宽占空比范围以提供物理见解，但实际制造变化预计保持在 20 nm 以内，保持占空比接近 40-60%。总体而言，这些结果表明，所提出的叉形耦合器实现了约 -0.7 dB（85%）的标称模拟透射，同时对标准制造公差保持弹性，确保了均匀的晶圆级性能。
为了评估集成鲁棒性，我们研究了微转印印刷过程中的位置失配，最大位移为 1.5 µm。虽然 1.5 µm 的对准窗口代表了使用转移器件阵列的样品级印刷，但最先进的晶圆级印刷机在整个 200 mm 晶圆上实现了 500 nm 以内的 3σ 精度 [42]。在本研究中，透射效率相对于理想的、完美对准的情况（对应于约 85% 的透射）进行归一化，以隔离集成期间引入的额外损耗。对于面内（x 轴和 y 轴）失配，500 nm 的位移引入约 1.5 dB 的额外损耗，当偏移接近 1.5 µm 时，该损耗升级到超过 4 dB。相反，耦合器对垂直（z 轴）失配表现出显著更高的敏感性，这可能源于外延层厚度变化、凹槽蚀刻深度不均匀性、BCB 键合层变化或埋入/顶部氧化物厚度波动。仅 150 nm 的垂直偏移就会产生 3 dB 的损失，在接近 300 nm 位移时损耗达到 10 dB。这种高垂直敏感性与先前在 SiN 基倒锥上倒装芯片集成蓝色激光器的演示一致，其中报道了 200 nm 垂直失配时 3 dB 的损耗 [18]。
图4：微转印印刷蓝色激光器的制造。(a) 覆盖在 Si 衬底上热氧化层之上的整片 SiN 层。(b) SiN 光子电路图案化，包括叉形波导和光栅耦合器，以及高密度氧化物顶部包层的沉积。(c) 深凹槽蚀刻，到达硅衬底内约 1 µm 深。在此步骤中，定义了 SiN 端面。(d) 旋涂粘合 BCB 并集成 GaN 基蓝色激光二极管。(e) BCB 固化，随后对转移的激光芯片上的 n 接触进行金属化。在此示意图中，为了清楚起见，省略了顶部氧化物包层和 BCB 层。(f) 扫描电子显微镜图像，从左到右依次显示集成的对接耦合激光器，以及叉形 SiN 边缘耦合器和输出光栅耦合器的代表性测试结构。
这种显著的垂直敏感性源于两个主要因素。首先，在短波长（λ = 455 nm）下工作导致紧密限制的光学模式分布，这自然对偏移更敏感。其次，叉形几何结构经过专门优化以最大化空间模式重叠。这引入了一个权衡：与牺牲峰值效率以换取位移容差的更宽、更宽松的模式分布的设计变体相比，针对最大耦合效率优化的设计在失配下固有地经历更大的相对损耗损失。虽然面内容差完全在现代 MTP 工具的能力范围内，但减轻垂直变化，无论是通过更严格的工艺控制还是探索垂直容忍的耦合器拓扑，对于高良率晶圆级集成仍然至关重要。
2.3 目标制备与激光器集成
通过 MTP 将蓝色 GaN 基激光器集成到 SiN 平台上的简化制造工艺流程如图4所示。制造从具有 2 µm 热氧化层和 110 nm 低压化学气相沉积 SiN 层的硅衬底开始 (a)。光子电路，包括叉形耦合器、无源路由波导和输出光栅耦合器，使用电子束光刻和干法刻蚀图案化，随后沉积电感耦合等离子体化学气相沉积顶部氧化物包层 (b)。为了准备用于激光器集成的目标，使用铬硬掩模通过介电堆叠并进入硅衬底进行深干法刻蚀。该步骤同时创建用于微转印印刷的精确凹槽，通过轮廓仪和反射仪监测，并定义 SiN 耦合端面 (c)。去除硬掩模后，旋涂薄 BCB 粘合层，将预制 InGaN 激光芯片转移印刷到目标凹槽中，并进行 BCB 固化 (d)。最后，通过溅射（Ti/Pt/Au）沉积 n 型金属化，随后进行厚顶部金属化步骤以定义用于电学表征的接触焊盘 (e)。
图4(f)显示了通过微转印印刷集成的对接耦合激光器的扫描电子显微镜（SEM）图像，以及 SiN 叉形边缘耦合器和输出光栅耦合器。图像证实了印刷激光器的高精度面内对准，但也揭示了边缘耦合器占空比偏离 50% 设计目标。电子束光刻邻近效应加上过度蚀刻导致从目标 50% 占空比偏移到实测 35%，这导致耦合效率的增加可忽略不计。在耦合界面处，来自先前粘合剂旋涂工艺的 200 nm BCB 层保留下来。该薄层引入最小的吸收或几何失配损失，同时充当中间折射率匹配层（n ≈ 1.56），与空气间隙相比抑制反射。关键的是，聚焦离子束横截面分析证实，在先前 O 波段实现 [39] 中报道的端面处显著 BCB 积聚在这些样品中不存在，仅留下均匀的薄层。为了在未来的迭代中实现完全无材料的光学端面，可以采用光敏 BCB 选择性地清除耦合界面 [38]。此外，在高形貌芯片上成功实现了功能性接触金属化，而无需专门的平坦化步骤，证实了跨芯片边缘的稳健台阶覆盖，并验证了用于芯片级原型制作的简化制造工艺流程。
3 结果
图5：集成 InGaN 激光二极管的电光表征。(a) 两个在自发发射（LED）机制下工作的激光二极管（95% 占空比，I = 95 mA，OSA 分辨率 2 nm）的归一化电致发光光谱，显示在 455 nm 和 488 nm 附近的波导耦合发射。插图：工作器件的照片。(b) 在脉冲模式（0.1% 占空比，I = 740 mA，OSA 分辨率 100 pm）下发射 455 nm 的激光二极管的归一化发射光谱。(c) 对接耦合激光器的光-电流-电压特性。
集成后，通过用探针电接触印刷激光器、将发射光耦合到 SiN 波导中、通过与输出光栅耦合器对准的单模光纤收集输出，并将其引导到功率计和光谱分析仪（OSA），进行电光表征。在连续波（CW）或高占空比激发下，显著的热自加热加上高阈值电流密度阻止了激光二极管达到激光发射，导致自发发射（LED 模式机制）。为了验证该平台的多功能性，集成了由 InGaN 量子阱中不同铟浓度材料制造的器件并进行了表征。如图5(a)所示，在 455 nm 和 488 nm 附近成功演示了波导耦合自发发射，以 2 nm OSA 分辨率测量。488 nm 处的非高斯发射分布源于光栅耦合器的光谱包络，该耦合器标称设计用于 455 nm，需要角度调谐以捕获更长波长。值得注意的是，当通过以低占空比脉冲模式（0.1% 占空比，900 µs 周期）操作来抑制热负载时，在 455 nm 处实现了激光发射。高分辨率光谱测量（100 pm OSA 分辨率）和光-电流-电压（L–I–V）性能分别如图5(b)和(c)所示。该器件表现出 450 mA 的阈值电流和 SiN 波导内约 1.8 mW 的片上峰值功率，这对应于 0.1% 占空比下 1.8 µW 的平均测量片上功率，从 13.5 dB 光栅耦合器插入损耗中解嵌。
图6：(a) 集成激光器后端面的 SEM（伪彩色）横截面图像。(b) 结构的放大 SEM 图像。
从直流操作下的自发发射到低占空比脉冲激发下的清晰激光发射的转变，提供了首个转移印刷 GaN 基激光器集成到 SiN 光子平台上的重要原理验证演示。尽管实现了脉冲激光发射，但未观察到连续波（CW）发射：由腔中光学损耗驱动的相对较高的脉冲阈值电流（450 mA）加上高串联电阻导致显著的功率耗散，使热管理成为 CW 操作的主要障碍。在 CW 驱动下，这种耗散升高了结温，如 GaN 基激光二极管充分记录的那样 [43, 44]，通过降低微分效率、载流子泄漏和其他温度相关损耗机制进一步增加了所需的阈值电流。特别是，未涂覆的激光端面可能部分受到用于芯片释放的底切工艺的影响，如端面上的缺陷所暗示的（图6(a)），引入额外的镜面损耗，可能提高阈值电流。未来的实现可以通过在释放工艺之前沉积端面涂层来解决这个问题，这既可以在底切期间保护端面，又可以提高其反射率，从而减少腔损耗。最终，这些损耗与 CW 操作下的自加热的结合可能阻止了器件达到激光发射条件，尽管电注入成功。重要的是，这些限制并非微转印印刷平台本身所固有的：如图6(b)所示，印刷器件保持机械完整，任何退化似乎局限于端面表面。稳健的脉冲激光发射、耦合到 SiN 波导以及毫瓦级峰值片上功率的演示为未来优化热管理、端面质量和腔设计奠定了坚实基础，为后续几代转移印刷 GaN 在光子集成电路上的低阈值和连续波长操作铺平了道路。
4 结论
III 族氮化物光源的可扩展集成标志着朝着紧凑、可见光光子集成电路迈出的关键一步。通过电化学底切，GaN 基激光二极管成功释放并微转印印刷到 SiN 平台上，实现了超过 20 kA/cm² 的高电流密度。通过实施叉形 SiN 边缘耦合器，仿真表明在 455 nm 处透射超过 85%，证实了无需依赖超薄波导即可实现足够的模式扩展。基于这些进展，展示了来自两种外延结构（发射 455 nm 和 488 nm）的波导耦合自发发射，以及在 455 nm 处的脉冲模式激光发射，确立了微转印印刷蓝色激光器在氮化硅上的首次演示，这是材料工程、异质组装和光子学交叉点上的一项成就。
为了充分实现这种方法的潜力，未来的努力将集中于优化制造工艺，以从原理验证演示过渡到高良率、可扩展的制造。通过在释放工艺之前施加保护性高反射率镜面涂层，以及实施用于增强热管理的散热结构，可以解锁具有更高输出功率的稳健连续波操作。结合将氮化硅腔定制为单模或可调谐激光发射，这些进展将提供下一代可见光应用所需的光谱控制和性能，涵盖从 AR/VR 显示和量子技术到光通信。
