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文章名：Monolithic III–V membrane photonic crystal lasers on SOI using selective lateral heteroepitaxy

作者：Cong Zeng, Zhaojie Ren, Zili Lei, Donghui Fu, Yingzhi Zhao, Ying Yu, Yu Han & Siyuan Yu 

单位：中山大学

介绍
在数据流量迅速扩展的背景下，光子集成电路（PICs）作为一种变革性的解决方案，已成为高速数据传输和处理的重要工具，使得在光互连、计算和传感领域的可扩展部署成为可能。在利用PICs进行大规模数据通信的系统中，如数据中心和人工智能计算集群，对高密度集成和超低功耗的需求变得越来越关键。因此，具有更小占地面积和更高能效的集成光源对于推动该领域的发展至关重要。在各种类型的激光器中，光子晶体（PhC）激光器由于其小的模体积、低阈值和高品质因子而脱颖而出。自从提出PhC腔体以来，基于本征衬底的III–V PhC激光器已经取得了令人印象深刻的性能。这些器件的激光阈值已经降至纳瓦特或纳安培级别，且已实现超过100 GHz的调制带宽。尽管在本征衬底上的这些成就令人瞩目，但最近硅光子学的进展也使得通过异质集成或直接外延生长将III–V PhC激光器集成到硅上成为可能。在大多数报道的研究中，通常采用基于低折射率对比的III–V材料系统的垂直堆叠结构，这需要通过刻蚀气孔来形成垂直光学约束，并通过增益介质刻蚀气孔以实现横向光学约束。这些特征导致了机械稳定性和泵浦效率的问题。首先，通过刻蚀牺牲层形成的悬浮结构严重影响了对外部机械冲击的抗性。这个问题可以通过使用异质集成方法（如键合或微转印）将III–V膜转移到低折射率衬底上来解决。其次，垂直堆叠结构中通过增益介质刻蚀的气孔会导致严重的非辐射表面复合，从而导致较低的泵浦效率。这个问题可以通过通过选择性再生长形成埋入异质结构（BH）来解决。紧凑的BH设计位于PhC腔体内，避免了在活性区域刻蚀气孔。通过结合BH和转移技术，已在硅衬底上集成了λ尺度嵌入式活性区的光子晶体激光器，且实现了31 μA的超低阈值。然而，这项技术涉及键合、选择性再生长和多个掺杂步骤。显著增加的制造复杂性导致了高成本，限制了集成密度，并阻碍了大规模生产。

图1 选择性横向外延生长III–V膜在SOI上的过程。
a 外延模板的图案化过程，用于选择性横向外延生长。
b 8英寸商业（001）SOI晶圆的全视图，具有图案设计，以及单个芯片的特写照片。
c 选择性横向外延生长示意图。
d 在SOI上横向生长的InP/InGaAs膜的光学显微镜图像。
e 压应变InGaAs量子阱的横截面TEM图像。
f InP膜的PL光谱。
g 压应变InGaAs量子阱的PL光谱。

在本研究中，我们通过选择性横向外延生长解决了上述问题。我们的方法与传统的垂直外延生长方法根本不同，通过在SOI晶圆的埋氧层上直接形成III–V膜，如图1c所示。最终得到的III–V/绝缘体结构在PhC激光器制造中具有明显的优势。首先，它提供了III–V膜和硅氧化物之间的固有高折射率对比，无需悬浮结构即可实现强光学约束。其次，通过选择性横向外延生长形成的增益介质可以精确控制其宽度和位置，远离随后的气孔刻蚀区域，从而消除了表面复合并提高了泵浦效率。第三，选择性横向外延生长使得在SOI晶圆上实现单片PhC激光器成为可能，且具有高质量的III–V膜，提供了高可扩展性和均匀性密集集成的前景。鉴于这些显著的优势，我们报告了目前为止首次在（001）SOI衬底上横向生长的III–V膜PhC激光器。我们使用横向生长的III–V膜在SOI上制造了近红外（910 nm）和通信波段（1430 nm）的InP/InGaAs PhC激光器，并在光泵浦下实现了室温激光发射，阈值分别为17.5 μJ/cm²和5.7 μJ/cm²。

结果
III–V膜在SOI上的选择性横向外延生长
本文中III–V膜在SOI上的选择性横向外延生长基于横向纵横比限制的概念。图1a显示了外延模板的图案化过程。首先，从8英寸340 nm（001）SOI晶圆开始，首先将硅层图案化为若干段，随后沉积包层氧化物，再进行化学机械抛光。然后，通过在硅图案的一端刻蚀氧化物开口，并通过各向异性湿法刻蚀硅，形成具有（111）硅面的横向氧化物沟槽。图1b展示了在商业8英寸硅光子学代工厂中制造的晶圆和模板的照片。图1c示意图展示了选择性横向外延生长的结构配置和外延过程。InP优先在单晶硅种子上核化，而不是在非晶SiO2包层上。InP膜在横向沟槽内沿着氧化物沟槽的开口横向生长，长度超过6 μm，且垂直的InGaAs/InP量子阱（QWs）可以嵌入到所需位置。硅光子学代工厂的成熟加工保证了硅段的平滑性，并导致了具有原子平整表面的InP膜。外延过程的详细描述见参考文献27。横向生长的III–V膜在氧化物沟槽内形成了独特的III–V/绝缘体结构，具有较高的折射率对比，而无需额外的加工步骤。PhC腔体的气孔可以在横向生长的量子阱的两侧进行图案化，从而实现刻蚀气孔侧壁与量子阱活性区域之间的空间解耦。

图1d展示了在SOI上横向生长的InP/InGaAs膜的光学显微镜表征。III–V膜表现出卓越的形态均匀性，外延区域具有平直的生长前沿。图1e显示了压应变InGaAs量子阱的横截面透射电子显微镜（TEM）分析，揭示了精确设计的6纳米In0.7Ga0.3As量子阱，夹在50纳米的InP障碍层之间。图1f和1g分别绘制了InP膜和嵌入的InGaAs量子阱的室温光致发光（PL）光谱。InP膜显示出约920 nm的窄发射峰，InGaAs量子阱的峰值波长约为1.55 μm，半最大宽度（FWHM）分别估计为40 nm和134 nm。外延结果表明，横向生长的III–V膜可以用于制造近红外和通信波段的PhC激光器。

近红外InP PhC激光器

图2 近红外InP PhC激光器的设计、制造与表征。
a InP PhC激光器的3D架构。
b 模拟的Q因子与L数的关系。
c 偶数和奇数缺陷数腔体的电场分布。
d 制造的InP PhC激光器的70°倾斜SEM图像。插图：腔体区域的放大SEM图像。
e 在不同泵浦功率下测得的光谱。
f 收集的L–L曲线（左）和线宽演化（右）。

我们首先基于横向生长的InP膜设计并制造了近红外InP PhC激光器。图2a展示了InP PhC激光器的器件结构。我们采用了三角形PhC晶格，具有L型缺陷结构，包含沿Γ-K方向的几个缺失气孔。InP PhC激光器的腔体设计采用了晶格常数a = 210 nm、气孔半径r = 60 nm和InP膜厚度T = 340 nm。为了保持对外部冲击的机械抗性并增强散热能力，本文中的PhC激光器没有切割埋氧层。垂直不对称性可能会影响腔体模式分布并导致品质因子Q的退化，但通过调整腔体设计仍然可以实现足够高的Q因子。图2b展示了Q因子与缺失气孔数（L数）之间的关系。随着L数的增加，具有偶数缺陷数的PhC腔体的Q因子逐渐增大，最大值超过10⁴后趋于饱和，而具有奇数缺陷数的腔体的Q因子保持在约10³左右，变化不大。图2c展示了腔体模式的电场分布，解释了偶数和奇数L数之间Q因子的差异。作为偶模式的一部分，奇数缺陷数腔体的模式分布更集中在缺陷区域，而偶数缺陷数腔体的模式分布则更分散。然而，奇数腔体在腔体两端表现出显著的电场不连续性，限制了Q因子的进一步提高，而偶数腔体在这些区域保持均匀的场分布，能够实现更高的Q因子。鉴于InP膜中的均匀增益最小化了偶数和奇数腔体之间的模增益差异，我们采用了L8缺陷结构用于近红外InP PhC激光器的制造。

InP PhC激光器的制造遵循标准的III–V半导体处理技术。外延模板的包层氧化物层被用作InP膜干法刻蚀的硬掩模，经过减薄后进行。然后，通过电子束光刻（EBL）和两次干法刻蚀工艺分别在氧化物掩模和InP膜上制作PhC腔体。图2d展示了制造的InP PhC激光器的70°倾斜扫描电子显微镜（SEM）图像，插图提供了腔体区域的放大图，展示了PhC腔体精确地位于外延InP膜的中央。制造的激光器通过室温PL在脉冲激发下进行表征（750 nm波长，80 MHz重复频率，<140 fs脉冲宽度，激光束光斑半径为10 μm）。图2e绘制了从制造的InP PhC激光器中观察到的激光光谱。低于阈值时，发射表现为InP的宽广自发发射光谱，具有多个腔体模式。随着泵浦功率超过阈值，较高阶模式被抑制，InP PhC激光器展现出单模激光发射，峰值波长为910 nm。图2f左侧显示了收集的强度（L–L）曲线，从中可以提取出17.5 μJ/cm²的泵浦功率阈值密度。对于测得的InP PhC激光器数据，激光线宽随泵浦功率的增加而减小，并最终收窄至0.94 nm，如图2f右侧所示。实验中提取的Q因子（Q = λ/Δλ）约为10³，低于模拟值，退化主要归因于刻蚀气孔的侧壁非垂直。需要注意的是，PhC激光器的发射波长可以通过调整设计参数来轻松调节。InP PhC激光器的激光性能确认了横向生长的InP膜的高晶体质量，以及横向外延平台在PhC激光器可扩展制造中的可行性。

通信波段InP/InGaAs PhC激光器

接下来，我们研究了基于压应变InGaAs量子阱嵌入InP膜的通信波段InP/InGaAs PhC激光器的设计和制造。横向生长方向导致了垂直量子阱的形成，与传统的平面量子阱在设计PhC激光器时存在显著差异。

图3 垂直堆叠平面量子阱与横向生长的垂直量子阱之间增益特性比较。
a 基于垂直堆叠平面量子阱（左）和横向生长的垂直量子阱（右）的PhC腔体。红色箭头表示来自压应变量子阱的充足增益的电场分量，黑色虚线箭头表示增益贡献可以忽略的分量。
b 压应变InGaAs的能带结构，包含三个主要能带：导带（CB）、重孔（HH）和轻孔（LH）价带。

图3a比较了两种类型的PhC腔体架构：一种基于垂直堆叠平面量子阱，另一种是我们的方法，采用横向生长的垂直量子阱。因此，对于横向生长的垂直量子阱，横向电场模式（TE模式）与垂直堆叠平面量子阱相比，表现出不同的增益特性。图3b展示了压应变InGaAs的带结构，其中Γ表示布里渊区中心，k∥是InGaAs平面的平行分量，k⊥是垂直分量。压应变InGaAs通过诱导双轴应变来提高重孔（HH）价带高于轻孔（LH）带，从而增强平面内偶极跃迁。这种带工程在压应变InGaAs中提高了平面极化模式的光学增益。因此，对于在垂直堆叠平面量子阱上制造的PhC腔体，平面内的Ex和Ey分量都可以利用足够的光学增益。然而，在采用横向生长的垂直量子阱的PhC腔体中，Ey分量不再位于量子阱平面内，因此量子阱只为Ex分量提供光学增益。基于上述分析，我们主要关注腔体模式中的平面内电场分量（Ex）作为通信PhC腔体增益设计的重点。

图4 通信波段InP/InGaAs膜PhC激光器的设计。
a 三角晶格的基本TE模式带图，包含不可约布里渊区。
b 计算的偶数和奇数缺陷数腔体的Ex和Ey电场分布。
c 计算的每个量子阱的约束因子与L数的关系。
d 偶数和奇数腔体的Ey分布的傅里叶变换（FT）光谱，光谱中以泄漏区域为中心。
e 模拟的Q因子与InP厚度的关系，分别对应偶数和奇数腔体。
f 模拟的Q因子与L数的关系。

通过阐明横向生长的垂直量子阱的增益特性，我们系统地设计了通信PhC腔体，重点考虑模式约束和Q因子。用于通信PhC激光器的PhC腔体是一个基本的三角形晶格，晶格常数a = 370 nm，气孔半径r = 80 nm，InP膜厚度T = 340 nm。图4a绘制了使用3D有限差分时域（FDTD）方法计算的基本TE模式带图。在光子带图中，蓝色阴影区域表示光锥，粉色区域表示光子带隙，跨越标准化频率从0.244到0.284。图4b比较了在L型腔体中，由垂直量子阱激发的Ex和Ey分量的电场分布。考虑到横向生长的垂直量子阱的增益特性，本工作中使用的压应变量子阱更适合偶数缺陷腔体，以实现Ex分量的中心化约束，从而获得足够的光学增益。从Ex分布计算出的约束因子，如图4c所示，偶数腔体的约束因子显著大于奇数腔体，且表现出更一致的增强，表明偶数腔体具有更优越的模式约束。需要澄清的是，本文中的偶数/奇数定量描述的是L型PhC腔体中缺失气孔的数量，而不是不同光学模式的偶性。

讨论
虽然我们在通信波段InP/InGaAs PhC激光器中实现了脉冲激光发射，但在连续波（CW）泵浦下尚未观察到激光发射。压应变InGaAs量子阱导致的不足的模增益和热降解阻碍了CW操作。因此，可以通过提高模增益和热稳定性来实现CW操作。首先，提升制造精度，包括侧壁形态和对准精度，可以显著提高实验Q因子和模增益。其次，通过调整腔体设计，使Ex分布更加集中，可以通过增加约束因子和提高制造公差来增强模增益。具有沿量子阱方向集中Ex分布的异质结构纳米腔体是未来低阈值器件的理想腔体。最后，调整量子阱活性区域，包括成分和应变，可以提高热稳定性。采用InGaAsP量子阱或拉伸应变量子阱可增加导带偏移，从而显著抑制高温下的载流子泄漏。

除了增强PhC激光器的机械抗冲击能力和泵浦效率外，选择性横向外延生长还展示了实现电泵浦PhC激光器和与硅波导高效耦合的显著潜力。首先，可以通过在选择性横向外延生长过程中进行原位掺杂，在单一步骤中实现平面p-i-n结构。横向电流注入架构能够显著抑制金属引起的吸收损失，同时消除了传统垂直外延生长中需要的多步掺杂工艺，从而大幅减少了制造复杂性。其次，选择性横向外延生长使得外延III–V膜和硅器件层能够紧密共面放置。可以简便地与外延模板一起制造高效光耦合器和波导。这些紧凑的对接耦合器能够有效地将光耦合到硅波导中，为完全集成的光子系统在SOI上的光学接口提供了坚实的基础。除了PhC腔体，选择性横向外延生长所支持的III–V膜平台还可以用于制造各种微/纳激光腔体，如狄拉克涡旋拓扑腔体和极端介电约束腔体，支持边缘发射和垂直发射配置。

通过选择性横向外延生长生长的单片膜PhC激光器还具有简化制造和显著降低加工时间和成本的额外优势。首先，外延模板的制造在硅光子学代工厂中进行，能够大幅减少工艺周期时间和成本。其次，通过MOCVD在预定义区域进行选择性生长，不仅消耗最少的III–V前驱体，而且有效减少生长时间，从而大大降低了外延成本和时间消耗。第三，与使用切割牺牲层或转移到低折射率衬底的传统PhC激光器制造方法相比，我们的方法显著简化了制造工艺，同时保持了高机械抗冲击能力和泵浦效率的优势。

总之，我们通过选择性横向外延生长展示了近红外和通信波段III–V膜PhC激光器在（001）SOI衬底上的单片集成。我们的方法不仅通过避免形成空中悬浮结构展现了高机械抗冲击能力，还通过空间解耦增益介质与刻蚀气孔的关系表现出高泵浦效率。我们在室温下实现了近红外InP和通信InP/InGaAs膜PhC激光器的激光发射，在光泵浦下，阈值分别为17.5 μJ/cm²和5.7 μJ/cm²。我们的工作为PhC激光器的制造提供了一种新颖的解决方案，并标志着朝着在SOI上直接生长的电泵浦PhC激光器迈出了重要的一步。

材料与方法

III–V膜生长

我们使用商业图案化的（001）SOI衬底作为III–V膜的选择性横向外延生长外延模板。外延模板的制造过程已在本研究的选择性横向外延部分中详细描述。在生长前，样品通过标准的RCA（NH4OH:H2O2:H2O = 1:1:5）工艺清洗10分钟。随后，样品在1%氟化氢（HF）溶液中蚀刻20秒，以去除硅种子上的天然氧化层，并用去离子水彻底清洗。然后，我们在AIXTRON CS18271 MOCVD系统中进行III–V膜的选择性横向外延生长。InP膜采用独特的三步生长方案横向生长，InGaAs/InP量子阱嵌入在所需位置，外延过程的详细信息请参见参考文献27。

PhC腔体仿真

PhC腔体的光学仿真采用三维FDTD方法进行计算。模拟模型包含横向InP膜，位于埋氧层的顶部，邻近的硅种子和上氧化物硬掩模。为了估算Q因子，首先通过一组时间监测器收集时域仿真数据。随后，识别指定频率范围内的所有共振模式，并通过衰减包络的斜率计算每个共振模式的Q因子。除了Q因子，基于频域功率监测器的仿真数据，额外的模式分析包括电场分布、约束因子和傅里叶变换的光谱。带结构计算采用通过傅里叶分析时域场数据的本征频率提取，在布洛赫周期性边界条件下，采样布里渊区内的波矢量k。

器件制造与表征

近红外InP和通信InP/InGaAs膜PhC激光器的制造过程分为四个步骤。首先，外延模板的包层氧化物层通过反应离子刻蚀（RIE）减薄至200 nm，作为硬掩模。其次，使用电子束光刻（EBL）在400 nm的ARP6200电子束抗蚀剂上定义PhC图案。然后，通过RIE刻蚀硬掩模，转移PhC图案，之后使用感应耦合等离子体RIE（ICP-RIE）和O2等离子体去除电子束抗蚀剂。最后，使用基于CH4、H2和O2混合气体的ICP-RIE刻蚀340 nm厚的InP膜上的气孔。

图5 通信波段InP/InGaAs膜PhC激光器的制造与表征。
a 制造的通信PhC激光器的70°倾斜SEM图像。
b PhC晶格的放大SEM图像。
c 在不同泵浦功率下测得的光谱。
d 收集的L–L曲线及拟合线。
e 激光线宽（左）和波长（右）演化。
f 通信PhC激光器的对数L–L图。实验数据以圆圈表示，理论计算结果根据不同β值绘制为实线。

制造的近红外和通信PhC激光器在室温下通过共焦微PL系统进行表征。使用750 nm的飞秒脉冲激光激发器件，通过20×物镜，光斑直径估计为约20 μm。使用同一物镜收集发射的光子，光谱表征通过单色仪和冷却的InGaAs探测器进行分析。泵浦功率密度基于测量的光功率、脉冲重复频率和激光光斑的面积进行计算。