圖1 基於(yu) 側(ce) 向選區外延的單片集成III-V族光子晶體(ti) 激光器

小尺寸、低功耗的III-V族化合物半導體(ti) 光子晶體(ti) 激光器是未來片上光互連的理想光源。目前光子晶體(ti) 激光器都是通過傳(chuan) 統的垂直外延方式生長製備，這一傳(chuan) 統生長方式會(hui) 帶來兩(liang) 方麵挑戰：一是垂直外延方式難以形成高折射率差結構，使得光子晶體(ti) 薄膜的製備需要依賴襯底掏空或者薄膜轉移工藝，極大增加了工藝複雜度。二是垂直外延方式得到的量子阱有源層會(hui) 布滿整個(ge) 腔體(ti) 平麵，因此所有的氣孔都會(hui) 刻蝕穿透有源層，造成大量的無效泵浦區域以及額外的表麵非輻射複合，嚴(yan) 重製約泵浦效率。盡管可通過鍵合、二次生長等方案解決(jue) 這些問題，但基於(yu) 垂直外延的解決(jue) 方案總體(ti) 來說需要複雜且往往不兼容的製備流程，成本高昂且不利於(yu) 量產(chan) 。傳(chuan) 統光子晶體(ti) 激光器製備方法均采用III-V族襯底外延或矽基異質鍵合的方法製備，鮮有通過矽基直接外延實現單片集成的方案。

圖2 側(ce) 向選區外延示意圖及晶圓&器件實物圖

韓羽副教授、餘(yu) 思遠教授團隊利用創新的水平側(ce) 向選區外延方法，在SOI矽光晶圓上製備的單片集成III-V族光子晶體(ti) 激光器實現了通信波段低閾值單模激射。該項研究的主要亮點包括：

• 矽基單片集成：在金屬有機物化學氣相沉積係統（MOCVD）中，基於(yu) 商業(ye) SOI 外延模板開展與(yu) 矽波導層共平麵的水平側(ce) 向選區外延，實現矽基高質量InP薄膜晶圓級生長。生長得到的磷化銦薄膜上下由氧化矽包裹，無需懸空結構即可實現強光場限製，大幅提高了器件的結構穩定性。化合物半導體(ti) 與(yu) 矽層共平麵等厚度，易於(yu) 實現二者間高效光耦合。

• 有源區精準控製：在磷化銦薄膜的水平生長過程中，基於(yu) 銦镓砷（InGaAs）/磷化銦的豎直量子阱有源區可生長於(yu) 薄膜的任意水平位置，實現了有源區位置的精準可控，保證了激光器微腔光場峰值的高度耦合。同時，側(ce) 向外延所形成的豎直的量子阱僅(jin) 占薄膜平麵麵積的一小部分，可以避免氣孔對有源區的刻蝕穿透，從(cong) 而顯著降低有源區表麵的非輻射複合、提高泵浦效率。

• 簡單製備工藝：基於(yu) 水平側(ce) 向選區外延方法製備光子晶體(ti) 激光器隻需單步外延，無需懸空結構製備、薄膜轉移和摻雜等工藝步驟，工藝複雜度低，有利於(yu) 全晶圓規模高效低成本製備。

該項研究采用創新的水平側(ce) 向選區外延技術，提高了光子晶體(ti) 激光器的結構穩定性和泵浦效率，並實現了與(yu) 矽光波導層共平麵的單片集成。該結構展現出實現電泵浦和與(yu) 矽波導高效光耦合的潛力，為(wei) 光子晶體(ti) 激光器的製備提供了新的技術路線。該技術也適用於(yu) 以水平邊發射以及垂直麵發射的多種工作模式工作的多種微腔激光器結構，邁出了未來矽基單片集成電泵浦微腔激光器發展及應用的關(guan) 鍵一步。