专业高效
微纳加工公司

#微转印技术 #异质集成 #UTP技术 #芯片到晶圆键合 #片上激光器 #片上调制器 #片上光放大器 

I. 引言
硅光子学（SiPh）（包括基于Si和SiN的波导电路）正在成为实现复杂光子集成电路（PIC）的成熟平台，1-3 尤其在通信波长范围内4-8，但也迅速扩展到可见光/紫外线9,10和短波红外11-14。然而，该平台缺乏一些无法原生集成的光学功能：增益元件，通常在III-V族半导体中实现；1600 nm波长以上的探测器（III-V族半导体）；电光调制器[LiNbO3、BaTiO3（BTO）和PbZrxTi1-xO3（PZT）]；C+L波段以外的电吸收调制器；基于磁光材料的光隔离器和光环；量子应用中的单光子源和探测器等。异质集成将是实现这些功能的关键，尤其是在SiPh晶圆上。对于III-V设备的集成，目前正在探索几种方法来实现这一目标：封装激光器的挑取和放置，裸III-V芯片的翻转芯片集成15-17，芯片到晶圆的键合18-20过程，以及III-V半导体在硅上异质外延生长21-24。每种方法都有其优点和缺点，并具有不同的技术成熟度和可用性。随着需要集成更多（且不同类型的）设备，迫切需要一种可扩展且多功能的异质集成方法。微转印技术（μTP）是一种符合这些要求的技术：解耦SiPh和非原生组件的处理，打印组件与SiPh之间的高效渐逝光学耦合，能够在源晶圆上进行预测试/检查（已知良品），通过将设备集成到源晶圆上的密集阵列中高效利用源材料（70 μm设备间距是典型值），与翻转芯片集成设备（约300 μm）相比，集成效率更高，完成后端线路工艺后的高通量集成，具有高对准精度（±0.5 μm 3σ）等。它还是一种非常多功能的技术，因为它能够实现不同材料系统（III-V族半导体、硅、电光材料、磁光材料等）设备的（共）集成，如下一节所述。

μTP依赖于在源晶圆上制造密集的设备阵列，然后使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具将它们以并行方式释放并转移到SiPh目标晶圆上。通过对PDMS模具进行图案化，可以将（小）源晶圆上的密集设备阵列扩展为（大）目标晶圆上的稀疏设备阵列，如图1所示。

拾取和打印过程依赖于PDMS的粘弹性特性。将模具与源晶圆层压后，迅速拉回模具，导致模具与元件之间产生强附着力，从而断开连线。打印操作依赖于模具的缓慢回缩，从而降低模具与元件之间的附着力。一个完整的打印周期通常需要30至45秒，而单个PDMS模具可以进行超过30,000次打印循环。28

μTP被认为是下一代异质集成技术，与传统集成方法（如通过主动对准集成激光微封装设备、被动对准翻转芯片集成、以及芯片到晶圆键合）相比，具有几个优势，如表I所总结。

尽管它有几个技术优势，但它在异质Si PICs中的技术成熟度仍然较低，这将在第III节进一步讨论。

在复杂的SiPh平台上集成非原生设备通常需要在后端堆叠中定义一个凹槽，以便通过渐逝耦合到达Si或SiN设备层，或通过对接耦合到达Si衬底，接着在凹槽中应用粘合剂层（如二乙烯基硅氧烷-双苯并环丁烯（DVS-BCB）或Intervia），通常通过喷涂涂层过程完成。接下来，通过高精度对准将非原生设备打印到目标位置，然后固化DVS-BCB，并在必要时对设备进行最终金属化，以便将设备连接到SiPh后端。这对于III-V光电组件（如激光器、放大器或调制器）如图2所示进行了说明。

类似的方法也可以应用于例如电光和磁光材料。这种方法可以实现不同材料系统中设备的密集共集成。因此，当异质集成的复杂性较高时，μTP技术展现了其优势。它还可以被视为异质集成的“瑞士军刀”，由于其多功能性，能够加速创新。在短期内，我们看到在SiPh晶圆上异质集成LiNbO3用于100 GBaud+调制以及集成半导体光放大器（SOA）以补偿复杂PIC中的损耗的商业案例。为提供这一技术，目前正在建立试验线，既有原型开发级别的（如imec）也有高产量生产级别的（如X-FAB）。

II. 微转印演示

μTP需要根据所使用的材料系统仔细考虑释放层和释放工艺。材料系统、其释放层和释放化学反应（湿法/蒸汽刻蚀）的概述如表II所示。薄膜材料，如LiNbO3、PZT、BTO、二维材料、Ce:YIG、胶体量子点（QD）薄膜、超导NbTiN、Ti:蓝宝石等，可以沉积或粘接在Si晶圆、氧化Si晶圆或SOI晶圆上，从而允许使用SiO2或Si作为释放层。

在以下子节中，将进行一个简要回顾。

A. GaAs

砷化镓（GaAs）基材料系统提供了优异的电学和光学性能，可以通过调整所涉及元素的成分和/或外延结构来调节。这些材料适用于开发高性能激光器、光电二极管和非线性组件，广泛应用于各类领域。6英寸的GaAs晶圆技术在晶圆厂中已得到良好开发。46 在本节中，介绍了在不同波长下操作的各种转印设备，波长范围从近红外到O波段。这些演示包括SOA、分布反馈（DFB）激光器、法布里–珀罗（F-P）激光器、垂直腔面发射激光器（VCSEL）、光电二极管和纳米腔激光器。此外，还介绍了在C波段操作的AlGaAs微盘。

1. 渐逝耦合SOA

SOA是光子集成电路（PIC）中的重要组件，尤其是在集成光学收发器中。它们可以作为发射器后的增益放大器，或作为接收器前的前置放大器。它们还具备作为开关和波长转换器的潜力。47 最近，O波段InAs/GaAs量子点（QD）在硅上的集成SOA通过μTP技术进行了演示。本文使用的GaAs外延结构由12层GaAs/InAs QD和500 nm厚的AlGaAs牺牲层组成，用于刻削已制造的SOA器件。SiPh目标基板使用imec的iSiPP50G技术制造，由220 nm厚的晶体Si设备层、160 nm厚的多晶Si叠层和5 μm厚的多层后端堆叠组成。设计了一种适应μTP系统对准精度的对准容忍III-V/Si锥形结构，如图3(a)所示。通过μTP将预制的1.66 mm长GaAs QD SOA器件转印到多晶Si/晶体Si混合肋状波导上，中间有一层薄的BCB粘合层。预制的设备由980 μm长的直GaAs肋状波导和两侧各340 μm长的绝热锥形结构组成。演示的设备[见图3(b)]在110 mA的偏置电流下提供了最高6.5 dB的片上增益，如图3(c)所示。

1. 渐逝耦合DFB激光器

与量子阱（QW）激光器相比，GaAs QD DFB激光器具有更好的高温稳定性、较低的对外部反馈的灵敏度以及较低的阈值电流，使其适用于数据中心中未冷却的集成收发器。继GaAs QD光放大器成功演示后，DFB激光器也在imec的SiPh平台上进行了演示。DFB激光器的布局和尺寸几乎与前述光放大器相同，唯一不同的是使用了1 mm长的相位偏移布拉格光栅，定义在晶体Si波导中，如图4(a)所示的示意图所示。

图4(b)所示的制造设备在1300 nm时表现出单模操作，侧模抑制比（SMSR）为44 dB，如图4(c)所示。测量的最大单侧波导耦合输出功率为0.7 mW。34

3. 边缘耦合法布里–珀罗激光器

边缘耦合（或称为面耦合）是另一种常用的将两种不同波导电路连接起来的方法。与渐逝耦合设备相比，边缘耦合不需要长的绝热锥形结构，至少在III-V波导中，不需要用于光学耦合。

图5. 基于边缘发射GaAs QD F-P激光器的μTP：
(a) 在220 nm SiPh平台上，带有后端层堆叠；
(b) 在3 μm厚的SiPh平台上，带有空气包覆层；
(c) 在300 nm厚的SiN光子平台上（图片来源于参考文献49）。

图5展示了通过边缘耦合将GaAs量子点（QD）激光器集成到三种不同的光子平台上的示例。49 在第一次演示中，使用了imec的iSiPP50G平台，GaAs QD设备位于局部暴露的Si基板上。InAs/GaAs QD波导通过加入一个n型包覆层，将其厚度精确校准至埋藏的SiO2层厚度，以此来与220 nm厚的Si波导对齐，如图5(a)所示。Si波导的宽度从380 nm收缩到150 nm，以扩展基本TE模式场，并与激光器发出的光学模式相匹配。长度为1.8 mm和2.4 mm的GaAs QD激光器被打印到凹槽中，横向错位小于500 nm。转印设备的阈值电流低于20 mA。然而，由于GaAs QD波导和Si波导的面之间存在较大的空气间隙（>5 μm），在室温下，波导耦合功率在80 mA时仅为1 mW。第二个光子平台中Si波导的横截面尺寸为3 × 2.5 μm²。长度为1.5 mm的设备被转印到埋藏氧化层上，其输出端口与Si波导对齐，如图5(b)所示。这些设备的性能与第一次演示中观察到的类似。第三次演示如图5(c)所示，展示了通过μTP将GaAs QD激光器集成到SiN PIC平台上，其中使用了1.8 mm长的设备。通过SU-8下耦合器辅助的SiN锥形结构被用于将光学模式以渐逝方式耦合到SiN波导中。打印设备的阈值电流低于30 mA，并且在85 mA时，获得了超过0.8 mW的波导耦合功率，在室温下实现。

4. VCSEL

在上述章节中介绍的设备均具有平面腔和平面发射结构。它们的有源区或腔长均超过1 mm，以获得足够的光增益。因此，这与较高的阈值电流和较高的功耗相关。垂直腔面发射激光器（VCSEL）具有非常紧凑的尺寸、亚毫安阈值电流、高壁插效率等特点。这些是非常有前景的设备，能够显著减少光子系统芯片的功耗。另一种大大减少功耗并提高光学系统性能的方法是利用低损耗的波导电路。SiN光子学在这方面表现突出，并显示出比Si光子学更高的热稳定性。图6展示的演示成功地结合了VCSEL和SiN光子学的优点，采用μTP技术将预制的GaAs VCSEL集成到imec BioPIX300 SiN平台上。

如图6(a)所示，VCSEL由高反射率的分布布拉格反射器（DBR）组成，上方是一个反射率较低的DBR镜面，在它们之间是包含五个量子阱的有源区。激光发射通过衍射光栅耦合到下方的SiN波导，衍射光栅进一步引入更大的反射，以增强TE极化。这降低了TE极化的阈值电流，相对于TM极化的阈值电流，从而使得单极化操作成为可能。图6(b)展示了一个典型的转印VCSEL的显微镜图像。集成的VCSEL设备在850 nm处表现出单模操作，侧模抑制比（SMSR）高达45 dB，并且通过调节偏置电流从0.25 mA到4.25 mA，实现了超过5 nm的波长调谐，如图6(c)所示。演示的设备的阈值电流低于1 mA，最大波导耦合功率超过100 μW，如图6(d)所示。此外，当基板温度从25℃升高到85℃时，功率损失小于3 dB。

5. PIN光电二极管

在上一节中，我们介绍了工作于约850 nm波长范围的光源集成。本节讨论的演示涉及在该波长范围内的光电探测。14 这些光电二极管是通过在源外延晶圆上制造的，该晶圆包含2.5 μm厚的GaAs本征吸收层、300 nm厚的p掺杂GaAs顶部接触层和600 nm厚的AlGaAs n掺杂接触层，其带隙设计为760 nm，以避免n接触处的额外损失。在这项工作中，十个光电二极管被对准并打印到SiN PIC中的相应光栅耦合器上，SiN PIC是在imec BioPIX300平台上实现的，如图7(a)所示。

这些光栅耦合器与阵列波导光栅（AWG）的输出端口相连接，如图7(b)所示。打印的光电二极管[见图7(c)]表现出15 pA的暗电流和在2 V反向偏置下，在860 nm处的最大0.3 A/W的光响应度。所有打印的设备表现相似，记录的光电流完美再现了AWG的滤波响应，如图7(d)所示，展示了通过μTP将此类光电二极管集成到SiN光子平台上的可行性。

6. 单光子源

硅量子光子学有望实现复杂的、高性能的量子光子集成电路（PIC），用于量子通信、线性量子计算和量子瞬移。然而，目前硅中缺乏确定性、高纯度和高不可区分性的单光子源，这成为了一个令人担忧的障碍。50 在多种提出的方法中，基于III-V材料的单光子源（SPS）通过μTP技术进行转印被认为是一种非常有前景的解决方案。图8展示了三个这方面的演示。第一个演示基于GaAs纳米光梁在SiN PIC上的μTP，如图8(a)所示。

纳米光梁长120 μm，定义在一个厚度为160 nm的GaAs设备层中，该层包含自组装的InAs量子点用于生成单光子。转印后的设备显示了3 dB的额外损耗，为SPS的集成铺平了道路。图8(b)所示的演示依赖于将一维（1D）光子晶体（PhC）GaAs纳米光梁腔体通过μTP技术转印到Si波导上。两个设备成功地集成到一个单一的Si波导中，输出端口处获得的光谱揭示了设备在900 nm和904 nm处的强量子点发射。52 从纳米腔到下方Si波导的单光子耦合效率估计为70%。考虑到上述纳米腔的对称结构，量子点发射会双向耦合到Si波导，这可能限制集成源的效率。通过在Si波导中使用PhC镜面，成功演示了量子点发射向下波导的单向耦合，53 如图8(c)所示。此外，还将一个亚波长波导结构集成到Si波导中，以降低有效折射率，从而放松了纳米腔与镜面之间的对准要求。

7. AlGaAs微盘谐振器

AlGaAs材料具有优异的二次和三次非线性特性，并且具有较低的二光子吸收。将AlGaAs材料集成到SiPh平台上已被认为是增强Si PICs的非线性光学功能的有效方法。

图9展示了使用μTP技术将高Q值AlGaAs微盘集成到SiPh平台上的示例。在第一个案例中，一个半径为5 μm的微盘被打印在埋藏氧化层上，紧邻Si波导。33 这些微盘在一个厚度为270 nm的Al0.3Ga0.7As设备层中定义，并通过选择性蚀刻位于其中的500 nm厚的AlAs牺牲层，从GaAs基板上释放出来。微盘与下方的Si波导良好对准，以实现足够的光耦合到Si波导中。测量中获得了7000的加载Q因子，如图9(a)所示。在第二个案例中，微盘被打印在Si波导的上方，Si波导已通过250 nm厚的氢硅烯三聚体（HSQ）上层包覆进行平面化，如图9(b)所示。54 使用500 nm厚的Al0.3Ga0.7As牺牲层释放微盘。对于半径为5 μm的设备，获得了最高40,000的加载Q因子。在一个四波混频（FWM）实验中，获得了325 mW⁻¹的非线性系数和在2.5 mW的片上泵浦功率下，FWM效率为-24.9 dB。

B. InP

本节将讨论依赖于将InP器件转印到SOI或SiN上的几个演示。将介绍的设备包括DFB激光器、可调激光器、锁模激光器、纳米光梁腔体激光器以及UTC光电探测器。

1. 渐逝耦合DFB激光器

在过去的几年里，我们的研究展示了几种C波段III-V-on-Si DFB激光器，这些激光器依赖于将InP增益元件转印到在目标晶圆的Si设备层中定义的DFB光栅上。用于这些实现的SiPh平台是一个SOI平台，Si设备层的厚度为400 nm。这些设备已成功实现了单模C波段操作。在20°C时，获得了7 mW的波导耦合输出功率。

55 如图10(a)所示，这种激光源具有大于33 dB的侧模抑制比（SMSR），阈值电流为80 mA，在1558 nm处激光。其斜率效率在20°C下为0.27 W/A。

为了克服这种III-V-on-Si DFB激光器的输出功率限制，可以将两个相同的InP SOA元件打印到SOI集成电路上，单独打印或在单次阵列打印步骤中同时打印，其中第一个SOA的打印位置包含一个DFB光栅，而第二个SOA的打印位置则设计为使其行为像一个功率放大器。56 这种与功率放大器共同集成的III-V-on-Si DFB激光器在20°C下提供了单模操作，波长约为1540 nm，如图10(b)所示。通过DFB激光器和功率放大器（DFB + 功率放大器）总偏置电流为270 mA时，可以实现14 dBm的波导耦合输出功率，且SMSR为28 dB。最大墙插效率约为4%。

最近，基于μTP技术展示了膜分布反射器（DR）激光器。57 膜元件非常薄，因此，允许更容易地将光学耦合到下方的Si波导中。此外，依赖于横向p–i–n二极管的膜激光器提供高光学限制。因此，这种膜激光器具有较低的阈值电流，并且通过直接调制与低能量、高速光输入输出（I/O）链路兼容。参考文献57中描述的膜分布反射器激光器提供在1535 nm处的单模操作，偏置电流为14 mA时的SMSR为40 dB，阈值电流仅为1.2 mA，最大输出功率为0.8 mW。激光器的直接调制显示出超过25 GHz的电光带宽，能够传输50 Gb/s的非归零（NRZ）信号，且消光比为2.5 dB。用于该演示的目标SiPh平台是一个220 nm SOI平台，与上述DFB激光器不同，它需要在源晶圆上定义激光的DFB和分布布拉格反射器（DBR）部分，如图10(c)所示。

2. 宽调谐C波段激光器

μTP技术还被用于实现SOI和SiN平台上的集成宽调谐激光器。在本节中，我们将介绍三个C波段宽调谐激光器的演示。由于InP放大器的较大光增益带宽，需要使用Vernier滤波器来实现单模操作。

第一个将讨论的演示是一个S+C+L波段宽调谐双激光结构，如图11(a)所示，具有110 nm的调谐范围。29 该拾取激光器依赖于在400 nm SOI平台上打印两种类型的III-V SOA。两种SOA类型的增益峰分别位于1525 nm和1575 nm，并且打印在SiPh目标晶圆中定义的两个激光腔体上。每个激光腔体都包含一个Vernier滤波器，并且输出端有一个可调环形镜子。随后，这两个激光输出被合并到Si PIC中，最终输出到单根光纤。通过双激光器的方法，合成激光的输出波长可以从约1495 nm调谐到1605 nm。观察到窄线宽操作，并且在整个调谐范围内满足OIF-400-ZR标准定义的相干光收发器的频率噪声阈值掩模。在1530 nm处，获得了约20 kHz的洛伦兹线宽。

第二个设备是一个集成发射器，58 它不仅包括一个宽调谐激光器，还包括一个共同集成的马赫-曾德干涉调制器（MZM）。如图11(b)所示，集成发射器中激光环腔和Si掺杂的MZM是在imec的220 nm SOI平台iSiPP50G上实现的。与第一个激光演示在400 nm SOI平台上实现不同，许多SiPh平台上的Si厚度通常仅为220 nm，这限制了Si波导和III-V有源层之间的有效耦合。为了增强耦合，同时仍使用220 nm的Si波导，Si波导层被局部锥形化为较厚的聚Si-on-Si混合波导。成功实现了超过40 nm的调谐范围单模激光，并且结合MZM后，集成发射器能够在C波段传输40 Gb/s的非归零（NRZ）信号。

对于InP基宽调谐激光器的最终演示，InP增益元件被打印到非晶Si/Si3N4平台上。59 通过结合SiN波导的低损耗特性和高Q环形谐振器，能够实现kHz级别的线宽。在这个平台中，非晶Si作为Si3N4波导和InP有源层之间的桥接层，从而实现两者之间的有效耦合。所展示的激光器如图11(c)所示，在124 mA偏置电流下提供了0.36 mW的光纤耦合输出功率，或者相当于1.5 mW的波导耦合输出功率。激光波长的调谐范围在C+L波段内超过60 nm。整个调谐范围内实现了至少40 dB的SMSR，并且该设备的线宽可达到约3 kHz。

3. 锁模激光器

集成的锁模激光器在多个领域中都有应用，例如距离测量、光谱学、电信和生物传感。虽然高效的光纤或大功率激光器常用于这些系统，但由于其潜在的成本降低和紧凑的占地面积，基于芯片的解决方案越来越受到关注。使用μTP技术在SiPh平台上，特别是在低损耗的SiN上集成增益是构建此类锁模激光器的合适解决方案。在这种情况下，电路到放大器的耦合是通过一个中间的Si层来完成的，以克服SiN与放大器堆叠之间的大折射率差异。60 增益部分由InAlGaAs周期性生长的层组成，形成多个量子阱，位于n型和p型磷化铟包层之间，并包括一个可饱和吸收器部分以实现锁模操作。第一次演示使用了一个定制的平台，包含非晶或晶体Si中间层。61–63 在这些情况下，使用被动低损耗的SiN扩展腔体允许获得低噪声激光器，且光学线宽低于1 MHz。通过优化设计并细化混合非晶Si与III-V模式重叠，已演示了具有广泛稳定区域的锁模激光器，以激光偏置参数（增益电流和可饱和吸收器电压）为基础。此外，通过调整驱动参数，可以使光学梳的中心波长在50 nm以上的范围内变化。

该激光器如图12(a)和12(b)所示。在另一项工作中，通过转印中间耦合Si层，使得可以使用商业SiN平台，如图12(c)和12(d)所示，从而减少了被动腔体制造的复杂性和成本。64

4. 单光子源

近年来，已经报道了几种基于InP的纳米光梁腔激光器。这些激光器可以在量子网络中发挥关键作用，如C波段的单光子源（SPS）。

图13展示了四个这类演示。(a)、(b)和(d)依赖于将InGaAsP光子晶体纳米光梁腔转印到SiPh上，而(c)中的纳米光梁由InP和InAs量子点（QD）组成。需要提到的是，图(a)和(b)中的演示来自同一个研究组，但第二个设备采用了对接方法，通过使用SiN波导作为机械停止器，来提高对准精度。65,66

图13(a)所示的纳米光梁激光器的阈值为180 μW，且单向耦合效率超过50%。依靠μTP与对接的纳米光梁激光器提供约65%的单向耦合效率。此外，这种对接方法改善了纳米光梁在Si PIC上的集成。尽管演示(a)和(b)是在SiN波导上打印的，其余两个演示则是在SOI上打印的。演示(d)再次使用InGaAsP纳米光梁；然而，设备(c)则依赖于InAs/InP量子点单光子源，并在C波段外工作（大约在1436 nm）。对于这种InAs/InP单光子源，从量子点到SOI波导的单光子耦合效率预计为约82%，当波导中包含一个光子腔镜时，耦合效率可以提高到97.6%。最后，图13(d)所示的设备在纳米光梁激光器到SOI波导的耦合效率为83%，激光阈值和波长分别为大约200 μW和1556 nm。

5. UTC光电二极管

在讨论了几种光源之后，还需要提到的是，InP也是实现C波段光电二极管的合适材料。最近，演示了一个单位行进载流子光电二极管（UTC-PD），其中打印工作是在SiN平台上进行的。69 在UTC-PD中，载流子的运输仅限于高迁移率的电子。因此，依赖这种技术的光电二极管提供了更高的跃迁时间带宽。作为附加优势，它还通过限制空间电荷屏蔽效应，改善了功率处理。UTC-PD的μTP意味着要打印非常小的元件，尺寸小于100 μm。打印后的设备形成了一个波导耦合的光电二极管，在1550 nm时的光响应度为0.3 A/W。在0 V偏置下，带宽为135 GHz，而在-1 V偏置时，带宽可达到155 GHz。该设备的暗电流和饱和电流分别为10 nA和4.5 mA。最终，为300 GHz载波设置了一个背靠背的THz链路，实现了高达160 GB/s的数据传输速率。69 该打印UTC-PD的显微镜图像及其频率响应如图14(a)和14(b)所示。

图14.
(a) C波段渐逝耦合的InP UTC光电二极管的显微镜图像；
(b) (a)的频率响应，具有2 × 12 μm²的活性区域；
(c) 对接耦合的MUTC光电二极管（图片来源于参考文献69和70）。

在另一项演示中，如图14(c)所示，基于InGaAsP的修改单位行进载流子（MUTC）光电探测器被转印到凹槽中，并通过这种方式与SiN波导进行对接，同时光电探测器本身包含一个短的InGaAsP接入波导。70 该设备的带宽为54 GHz，-3 V时的暗电流为30 nA，1310 nm时的光响应度为0.42 A/W，并且在微波频率下具有高功率处理能力。在50 GHz时，它可以达到7 dBm的射频输出功率，而1 dB压缩电流平均为22 mA。

C. GaSb

对于光谱传感应用，包括温室气体排放传感和血液生物分子监测，需要观察吸收光谱的指纹。这通常需要在2至3 μm之间的工作波长。因此，需要在这个短波红外（SWIR）波长范围内设计增益元件、激光源和光电探测器。最近，使用量子阱GaSb微转印膜反射半导体光放大器（RSOA）与在SOI平台中定义的分布布拉格反射器相结合，展示了一个在1.96 μm处工作的外腔激光器。该GaSb-on-SOI激光器如图15(a)所示。

此外，我们正在开发在Ge-on-SOI平台上进行GaSb元件的μTP。在该平台上，锗作为桥接层，促进Si与GaSb之间的渐逝耦合。最近，已经在上述Ge-on-SOI平台上展示了实施异质集成可调激光器所需的被动元件（波导、微环谐振器（MRR）和Vernier滤波器），并进行了这些元件在Ge-on-SOI波导上的转印实验。这些GaSb SOA元件转印前后的图像如图15(b)所示。

D. 硅

1. 光子硅设备

在SiN平台上集成有源设备已经取得了显著进展，但这些努力主要针对电信波长范围。与此同时，对于生物传感和成像应用，可见光/近红外光谱起着关键作用。虽然SiN平台本身非常适合这些波长，但在SiN PIC上集成850 nm以下光源和探测器的演示仍然稀少。最近，Si p–i–n光电探测器在商用SiN平台上进行了微转印，以实现低于850 nm的操作。37 演示的光电探测器[如图16(a)所示]在775–800 nm时，使用-3 V偏置时，光响应度约为0.19 A/W，等效的量子效率为30%。此外，该设备在-3 V时的暗电流为107 pA，带宽为6 GHz，目前带宽受到RC限制。

展示了在SiPh目标平台上打印Si元件的潜力不仅限于有源设备。还探索了在SiN平台上打印带有预定义被动结构的Si膜，如图16(b)所示。作为这种技术的示例，微环谐振器通过打印带有预定义环形结构的Si膜实现，且该结构位于SOI波导之上。73 这种方法可能允许制造多层三维光子集成电路，在占地面积和可实现的复杂性方面都具有优势。

2. 硅电子芯片

尽管本文回顾中的大多数演示提供了光学或光电功能，μTP是一种灵活的技术，也可以用于集成需要与集成光子学接口的驱动、接收或控制电子设备。电子设备的μTP工作原理与光子设备类似，通过依赖设备堆栈中存在一个牺牲层，利用该层释放电子芯片元件从其原生基板中分离，之后将其拾取并转印到SiPh目标晶圆上。这项技术已经得到了证明，74 使用130 nm SiGe BiCMOS技术制造的紧凑型电子IC已经成功地转印到SiPh晶圆上，使用薄BCB层（≤200 nm）提供了超过90%的良率。

图16(c)展示了这种打印的电子芯片。在这些异质集成的电光电路的后处理过程中，可以定义金属互连。使用这种片上金属迹线，而不是现在常用的线键合或翻转芯片键合，可以显著减少互连长度，提供设备性能上的优势，如更高的带宽和更低的功耗，同时在组装过程中也可以降低成本并提高生产率。

E. 钽酸锂

薄膜钽酸锂（LN）绝缘体平台是一个有前景的集成光子学平台。事实上，LN的材料特性，包括宽透明窗口（0.4–5 μm），结合强的二次非线性和电光效应，使其适用于多个功能，如频率转换、电光频率梳生成或快速电光调制。薄膜LN-绝缘体低损耗平台在文献中已有广泛报道，但在CMOS兼容平台上使用μTP进行LN薄膜的异质集成的兴趣日益增加。75 对于LN系统，SiO2释放层在氟化氢酸基化学溶液中湿刻，这使得常规的SiN封装变得困难。为了解决这个问题，已通过光刻胶封装或使用LN系带结构进行了元件悬挂的演示。已经开发出基于柱状机械支撑的先进设计，帮助避免光刻胶分层和大面积悬挂的问题。76,77 转印前后的元件如图17(a)所示。

图17. LN μTP概述
(a) 基于柱状结构的LN μTP；
(b) 使用光刻胶封装的LN元件的μTP；
(c) 使用转印LN的快速MZM；
(d) 图(c)中调制器的频率响应；
(e) 转印的Si–LN微环调制器；
(f) 图(e)中的微环调制器的波长调谐行为。

然而，这种元件的转印需要专用的具有柱状结构的目标。77 目前也在研究一种不包括这些柱子的元件版本，但它要求更复杂的释放工艺。图17(b)展示了转印后的这些元件示例。这使得LN元件能够在常规平面化目标上使用。作为概念验证，已经展示了使用转印薄膜LN的几种设备，包括带有55 GHz以上截止频率的快速调制器40,78 [见图17(c)和17(d)]、LN-on-Si微环调制器79 [见图17(e)和17(f)]、具有32,000 Q因子的SiN混合微环谐振器39、具有50,000 Q因子的SiN混合微腔80，以及用于二次谐波生成的周期性极化波导。81 通过高良率集成这些设备，可以使LN在CMOS晶圆厂制造的光子芯片中作为后端工艺提供新的补充功能。

F. 磷化镓

磷化镓（GaP）绝缘体平台是一个适合用于片上非线性光子学的候选平台，因为GaP具有优异的特性，包括大的光学透明窗口（0.55–11 μm）和强的二次和三次非线性。通过芯片到晶圆键合制造的低损耗GaP-on-绝缘体已被报道，并可用于Kerr频率梳生成。82,83 在GaP的情况下，键合后的基板去除不是简单的，需要选择性地进行电感耦合等离子体（ICP）干法刻蚀。另一种异质集成方法是将材料直接转印到绝缘体上。为此，材料元件被图案化，封装在非晶Si或光刻胶中，释放后转印到目标上，如图18(a)和18(b)所示。

作为概念验证，已展示具有35,000 Q因子的微环谐振器[图18(c)]。36,84 还报道了使用柱辅助方法打印的大尺寸GaP薄膜。77 接下来，我们希望使用转印设备展示其在非线性应用中的使用，如超级连续谱和频率梳生成。

G. Ce:YIG

磁光薄膜的μTP技术可以用来在集成光子学中引入非互易功能。集成光学隔离器在增强性能和提高集成激光源稳定性方面发挥着重要作用，能够强烈抑制激光腔内的反向反射。此外，集成光学环形器可用于多种应用，包括全双工通信链路和集成光学传感器。

掺铈的钇铁石榴石（Ce1Y2Fe5O12，简称Ce:YIG）在电信波长下具有较大的法拉第旋转系数，即在1500 nm时为-4500 °/cm，这使得它成为实现紧凑型片上磁光设备的合适材料平台。44 最近，通过μTP技术，在Si波导上转印了Ce:YIG/掺铈钇铁石榴石（SGGG）元件，演示了基于Mach-Zehnder干涉仪（MZI）的磁光隔离器，44 其中SGGG是生长衬底。这个报告的隔离器，如图19所示，基于磁光克尔效应，具有0.25 mm²的占地面积，在1567.1 nm时达到了最大隔离比14 dB，厚度约为1 μm。

H. 金刚石

单晶金刚石（SCD）薄膜，当集成到低折射率基板上时，可以在SCD中实现高度限制的光场，从而引入强烈的光–物质相互作用，这在一些演示中起着关键作用，如片上量子光学、光力学和非线性光学。通过μTP技术在SOI波导上转印预图案化的SCD微盘（不需要释放层）已经成功演示。45 平均加载Q因子为31k。由于SiO2层在SCD与Si波导之间产生的大热隔离，使用4.25 mW的光学泵浦，微盘的连续共振波长调谐超过450 pm是可能的。

III. 未来展望

目前通过μTP制造异质光子集成电路（PICs）的成就都是概念验证演示。为了实现这一技术在PIC领域的商业化应用，仍然需要采取几个步骤。这形成了根特大学-imec的开发路线图。首先需要解决的方面是证明μTP工艺的高良率。该良率包括几个方面：源晶圆上设备的良率，包括释放过程、拾取过程的良率和打印过程的良率。后者包括对准精度和在键合界面上没有空隙（由于颗粒）的情况。至于源晶圆上设备的良率，这需要在已有的晶圆厂中运行源晶圆，无论是用于III-V半导体、Si、LiNbO3还是其他材料。我们正在与这些晶圆厂积极合作，将我们的源晶圆工艺转移过去。通过仅转移已知良品，可以提高良率。然而，测试和检查设备的成本是否能够抵消良率损失的成本，这是一个经济问题。

释放过程的良率由刻蚀释放层后设备坍塌到基板上的比例决定。到目前为止，大多数情况下，使用湿化学刻蚀释放层，这可能会因为毛细力在干燥过程中导致坍塌。在某些情况下，可以通过使用蒸汽相刻蚀工艺来避免这个问题，例如蒸汽HF（使用SiO2作为释放层）或蒸汽XeF2（使用Si作为释放层）。这个良率还与支撑设备的系带的强度和数量密切相关，并且在这个意义上也与拾取良率相关：一方面，系带需要足够强，以防止设备坍塌到基板上；另一方面，它们也不应过于强，以防止在拾取过程中导致良率下降（即系带断裂）。最后，打印良率涉及在所需对准精度内打印元件，并且没有在键合界面处出现空隙。最先进的μTP工具在打印大规模阵列设备时提供了±0.5 μm 3σ的对准精度，因此光学接口设计需要考虑到支持这种偏差。一个更大的问题是键合界面上的空隙，通常是由颗粒引起的。当粘合层变薄时，这一点尤其重要，正如在渐逝耦合设备中所见。这些颗粒可能已经存在于目标晶圆上，因此在μTP之前需要进行彻底的颗粒清理，正如其他芯片到晶圆的键合方法所要求的那样。第二个颗粒源是在拾取过程中引入的颗粒。同样，这与系带结构的设计有关：通常，我们希望使用允许清洁断裂的材料（如SiN），同时尽可能减少每个设备的系带数量（系带断裂较少意味着颗粒形成的几率较低）。然而，这必须与释放过程的良率进行权衡。

第二个需要解决的问题是转印设备的性能。特别是对于半导体激光器和SOA，必须提高转印设备的效率。这需要在多个方面进行优化：（a）改善III-V制造工艺，通过将技术转移到III-V晶圆厂来实现；（b）改善III-V元件与Si或SiN波导电路之间的光耦合效率（例如，通过使用III-V再生长的被动锥形结构）；（c）改善转印设备的散热性能。对于所有在SiPh平台上的渐逝耦合设备，由于存在几微米厚的埋氧化层（注意，几纳米厚的粘合层对热阻的影响可忽略不计），热阻对Si基板的影响较大。可以通过在Si基板中加入热通道，将III-V/Si PIC倒装到热扩散器上，或开发可转印的埋异质结构激光器/SOA来解决这一问题。

第三个需要研究的问题是转印设备的可靠性。薄粘合层的存在可能会影响可靠性，特别是在热循环方面。所有这些方面都是正在进行的项目的一部分。目前，我们认为没有任何重大障碍可以阻止这项技术成熟并实现高性能、可靠的PICs。除了成熟技术外，我们还将进一步探索其能力，朝着在光谱的可见光和紫外线部分集成光源、转印单光子探测器和二维材料、以及转印非SiPh晶圆（如薄膜LiNbO3或CMOS电子晶圆）方向发展。我们还认为，开发没有释放层的设备层堆叠的μTP技术（如大块CMOS电子设备或其他大块材料）也具有很大的价值。

为了使μTP技术蓬勃发展，需要建立一个由源晶圆提供商、μTP生产线和目标晶圆提供商组成的生态系统。这是几个欧盟资助项目中的一个工作进展。此外，还需要进行一些标准化，以便不同供应商的元件可以在来自不同供应商的SiPh晶圆上通过不同的μTP试验线集成。这包括标准化SiPh与元件之间的光学接口，标准化电气接口（源晶圆和目标晶圆上的电连接和片上测试），标准化源晶圆上元件的尺寸和阵列布局，标准化过程控制监控（PCM）测试结构等。

IV. 结论

微转印技术是一种有前景且多功能的异质集成技术，适用于先进光子系统芯片的实现。当前的演示涵盖了在Si PICs上集成InP、GaAs、GaSb、LiNbO3、Si和Ce:YIG设备的概念验证。为了使这项技术成熟，仍需要采取几个步骤，包括建立供应链、证明集成方法的良率，并验证异质集成设备的可靠性。

作者；Gunther Roelkens  ; Jing Zhang ; Laurens Bogaert ; Emadreza Soltanian ; Maximilien Billet ;

Ali Uzun ; Biwei Pan ; Yang Liu ; Evangelia Delli ; Dongbo Wang ; Valeria Bonito Oliva ;

Lam Thi Ngoc Tran ; Xin Guo ; He Li; Senbiao Qin ; Konstantinos Akritidis ; Ye Chen; Yu Xue ;

Margot Niels; Dennis Maes ; Max Kiewiet ; Tom Reep; Tom Vanackere ; Tom Vandekerckhove ;

Isaac Luntadila Lufungula ; Jasper De Witte ; Luis Reis ; Stijn Poelman ; Ying Tan ; Hong Deng ;

Wim Bogaerts ; Geert Morthier ; Dries Van Thourhout ; Bart Kuyken

1 Photonics Research Group, Department of Information Technology (INTEC), Ghent University–imec, 9052 Ghent, Belgium

2Internet Technology and Data Science Lab (IDLab), Department of Information Technology (INTEC), Ghent University–imec,

9052 Ghent, Belgium

3Institut d’Electronique de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN), CNRS–UMR 8520, Université de Lille, 59652Villeneuve d’Ascq, France

4OPERA-Photonique CP 194/5, Université Libre de Bruxelles (ULB), Bruxelles, Belgium