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在日常生活中，將一系列光電子功能集合在一塊芯片上的光子集成電路越來越常見，它們被用于連接數據中心服務器機架的高速光收發器（包括用于提供本刊網站的光收發器）、保持自動駕駛汽車正常行駛的激光雷達、發現大氣中化學物質的光譜儀，以及許多其他應用。所有這些系統都變得越來越便宜，并且在某些情況下，使用硅制造技術生產大部分集成電路也是經濟可行的。

工程師們已經能夠在硅光子芯片上集成幾乎所有的重要光學功能，包括基本的調制和檢測功能，但只有一種功能除外：光發射。硅本身無法有效地做到這一點，因此人們通常利用III-V族材料制成的半導體（以其成分在元素周期表上的位置命名）制造單獨封裝的組件來發光。

如果可以在設計中使用外部激光二極管，那就沒有問題了。最近有幾個因素促使工程師們將激光與硅光子學結合起來。例如，可能沒有放置單獨光源的空間。植入體內用于監測血糖水平的微型設備可能就會面臨這個問題。或者，應用的成本可能要求進行更緊密的集成：當我們可以在一塊硅晶圓上安裝數百或數千個激光器時，相較于連接單獨芯片的情況而言，最終的成本會更低，可靠性也更高。

倒裝芯片集成

有一種簡單方法可以在硅晶圓上直接集成激光，這是一種名為“倒裝芯片處理”的芯片封裝技術，從名字就可以知道它的原理。

芯片的電連接裝置位于頂部，最上層的互連在金屬焊盤處結束。倒裝芯片技術依賴的是附著在這些焊盤上的焊料球。然后將芯片翻轉，使焊料與芯片封裝上的對應焊盤對齊（在我們的情況中，則是與另一塊芯片對齊）。然后熔化焊料，將芯片連接到封裝上。

將激光芯片與硅光子芯片結合在一起的概念與之相似，但要求更嚴格。邊發射激光器會在晶圓上被完全加工，然后被切割成若干單獨的芯片，并由供應商測試。然后，使用高精度的倒裝芯片工藝，一次一塊激光芯片，將單個激光芯片鍵合到目標硅光子晶圓上。這個方法的難點在于確保在邊緣發射時，激光器的輸出與硅光子芯片的輸入一致。我們會使用一種名為“對接耦合”的工藝，將激光器置于硅的凹陷部分，使其橫向鄰接硅光子波導管的蝕刻面。

為了實現這一點，倒裝芯片工藝需要在全部3個維度上都達到亞微米的對準精度。過去幾年里，我們開發了專門的倒裝芯片鍵合工具來完成這項工作，我們和合作者以及開發合作伙伴已經使用了它們來優化組裝過程。通過使用一種利用機器視覺來保持精確對準的先進拾放工具，我們可以在幾十秒內放置和鍵合激光器件，且精度超過500納米。

2021年，我們還開發了一種晶圓級硅光子工藝來提高這種性能。這種工藝在硅芯片上添加了機械對準基座和蝕刻精度更高的對接耦合接口，以實現優于幾百納米的垂直對準。借助這些技術，我們在300毫米的硅光子晶圓上組裝了某些激光器件。我們高興地看到，來自每個器件的50毫瓦激光有多達80%被耦合到了它所連接的硅光子芯片中。即使在最壞的情況下，整個晶圓的耦合度仍然在60%左右。這些結果可與主動對準所實現的耦合效率媲美，主動對準是一種更耗時的工藝，該工藝利用來自激光器本身的光來引導對準過程。

微轉印

微轉印消除了對接耦合的一些對準困難，同時也加快了組裝過程。與倒裝芯片處理技術一樣，光發射器件被置于III-V族半導體基板上。但二者有一個很大的區別：III-V族晶圓并沒有被切割成若干單獨的芯片。相反，晶圓上的激光器進行了底切，因此它們只能通過小系繩連接到源晶圓上。然后，一個像墨水印章一樣的工具會將這些器件一同拾起，斷開系繩。接下來，印模會將激光器與硅光子晶圓上的波導結構對準，并將其鍵合。

倒裝芯片技術使用的是金屬焊料凸點，而微轉印技術使用的是粘合劑，甚至可以只使用分子鍵合，依靠兩個平面之間的范德華力來將激光固定到位。此外，硅光子芯片中的光源和波導管之間的光學耦合會通過另一種不同的過程發生。這一過程稱為“倏逝波耦合”，它會將激光放置在硅波導結構的頂部，然后光線會“滲入”其中。雖然這種方式轉移的功率較小，但倏逝波耦合要求的對準精度低于對接耦合。

這種技術具有更高的對準容差，因而能夠同時轉移數千個器件。因此，原則上，它的產量應該高于倒裝芯片工藝，并且非常適合需要每單位面積集成大量III-V族元件的應用。

盡管轉印是制造microLED顯示器的既定工藝，例如許多增強現實和虛擬現實產品所需的顯示器，但這種技術還沒有準備好用于打印激光器或光學放大器。我們正在努力實現這個目標。

芯粒-晶圓鍵合

在我們討論的這兩種技術中，將發光元件與其硅光子伙伴進行精確對準是關鍵的一步。但有一種技術找到了解決這個問題的辦法，它就是III-V族硅晶圓鍵合。該方法不是將已經構建的激光器（或其他發光元件）轉移到處理過的硅晶圓上，而是將III-V族半導體的空白芯粒（甚至小晶圓）鍵合到硅晶圓上。然后，在相應的硅波導管的位置上方構建所需的激光器件。

在被轉移的材料中，我們只對晶體III-V族材料的薄層感興趣，該層稱為“外延層”。因此，在與硅晶圓鍵合后，剩余的材料會被移除?？梢允褂脴藴使饪毯途A級處理工藝在外延層（與下層的硅波導管對準）中制造激光二極管。然后蝕刻掉任何不需要的III-V族材料。

這種方法是英特爾工程師在過去10年間開發的，光收發器就是第一款使用它打造的商業產品，于2016年推出。這種方法可以實現高產量集成，因為它能夠同時并行處理許多器件。與轉印一樣，這種方法在III-V族和硅材料之間使用了倏逝波耦合，能產生高效的光學界面。

單片集成 

將所涉及的兩種不同材料結合在一起的理想辦法是直接在硅上生長III-V族半導體，這種方法稱為“單片集成”。這種方法不需要鍵合或對準，并可減少III-V族材料的浪費。但要使這一策略切實可行，還需要克服許多技術障礙。因此，Imec等研究機構還在繼續朝著這一目標開展研究。

這項研究的主要目的是創造低密度缺陷的晶體III-V族材料。其根本問題在于，硅中原子的晶格間距與相關III-V族半導體中原子的晶格間距相當不匹配，超過了4%。

由于這種晶格失配，生長在硅上的每個III-V族層都產生了應變。只添加幾納米的III-V族薄膜，晶體就會開始出現缺陷，釋放出累積的應變。這些“錯配”缺陷會沿著穿透整個III-V族層的線形成。缺陷包括開放的晶體鍵線和局部晶體畸變，這兩種情況會嚴重降低光電子器件的性能。

為了防止錯配缺陷徹底損壞激光器，必須將它們限制在遠離激光器的位置。因此，通常需要鋪設一層幾微米厚的III-V族材料，在下面的缺陷和上面的無應變區域之間形成一個巨大的緩沖區，然后在該區域制造激光器件。加州大學圣芭芭拉分校的研究人員報告稱，這種方法取得了出色的進展，證明了高效砷化鎵基量子點激光器具有良好的可靠性和壽命。

不過，目前這些實驗只是小規模實驗，難以將這項技術擴展到行業使用的200或300毫米晶圓。添加厚緩沖層可能會產生各種機械問題，例如在III-V族薄膜內部形成裂紋或晶圓彎曲。此外，由于有源器件位于厚緩沖層之上，因此將光與硅基板的下層波導管進行耦合頗具挑戰。

為了規避這些挑戰，Imec引入了一種稱為“納米脊工程”（NRE）的單片集成新方法。該技術旨在將缺陷的形成囿于一個有限的空間中，從而得以在與底層硅交界的上方100納米多的地方構建工作器件。

納米脊工程利用一種稱為“縱橫比陷阱”的現象將缺陷限制在了較小的區域。它首先在二氧化硅絕緣體層內形成了窄而深的溝槽。在絕緣體與硅相遇的溝槽底部，在硅上切入一個凹槽，讓空隙的橫截面變成箭頭形狀。然后在溝槽內生長一層薄薄的III-V族晶體，應變引起的失配缺陷會被有效困在溝槽側壁，防止這些缺陷線進一步滲透。溝槽被填充后，生長會繼續在溝槽上方形成更大的III-V族材料納米脊。納米脊中的材料完全沒有缺陷，因此可以用于激光器件。

硅激光器的前景

未來幾年，文中討論的每一種方法肯定都會進一步發展。我們預計它們最終將共存，滿足不同的應用需求和用例。

倒裝芯片激光器組件相對適中的安裝成本和準備狀態將使近期產品的推出成為可能。該方法對于每個光子集成電路僅需一個或幾個激光器的應用特別具有吸引力，例如數據中心使用的光收發器。此外，這種方法固有的靈活性也使其對需要非標準激光波長或罕見光子技術的應用而言具有吸引力。

對于每個光子集成電路需要多個激光器或放大器的大容量應用，轉印和芯粒晶圓鍵合方法則可實現更高的制造吞吐量、更小的耦合損耗，以及進一步降低成本的可能性。因為安裝成本高得多，所以適合這兩種技術的應用必須有很大的市場。

最后，硅上的直接III-V族外延附生（如納米脊工程技術）代表了激光集成的最終水平。我們和其他研究人員必須在材料質量和晶圓級集成方面取得進一步進展，才能釋放其潛力。