圖1 基于側(cè)向選區(qū)外延的單片集成III-V族光子晶體激光器

小尺寸、低功耗的III-V族化合物半導(dǎo)體光子晶體激光器是未來片上光互連的理想光源。目前光子晶體激光器都是通過傳統(tǒng)的垂直外延方式生長制備，這一傳統(tǒng)生長方式會帶來兩方面挑戰(zhàn)：一是垂直外延方式難以形成高折射率差結(jié)構(gòu)，使得光子晶體薄膜的制備需要依賴襯底掏空或者薄膜轉(zhuǎn)移工藝，極大增加了工藝復(fù)雜度。二是垂直外延方式得到的量子阱有源層會布滿整個腔體平面，因此所有的氣孔都會刻蝕穿透有源層，造成大量的無效泵浦區(qū)域以及額外的表面非輻射復(fù)合，嚴(yán)重制約泵浦效率。盡管可通過鍵合、二次生長等方案解決這些問題，但基于垂直外延的解決方案總體來說需要復(fù)雜且往往不兼容的制備流程，成本高昂且不利于量產(chǎn)。傳統(tǒng)光子晶體激光器制備方法均采用III-V族襯底外延或硅基異質(zhì)鍵合的方法制備，鮮有通過硅基直接外延實現(xiàn)單片集成的方案。

圖2 側(cè)向選區(qū)外延示意圖及晶圓&器件實物圖

韓羽副教授、余思遠(yuǎn)教授團(tuán)隊利用創(chuàng)新的水平側(cè)向選區(qū)外延方法，在SOI硅光晶圓上制備的單片集成III-V族光子晶體激光器實現(xiàn)了通信波段低閾值單模激射。該項研究的主要亮點包括：

• 硅基單片集成：在金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)（MOCVD）中，基于商業(yè) SOI 外延模板開展與硅波導(dǎo)層共平面的水平側(cè)向選區(qū)外延，實現(xiàn)硅基高質(zhì)量InP薄膜晶圓級生長。生長得到的磷化銦薄膜上下由氧化硅包裹，無需懸空結(jié)構(gòu)即可實現(xiàn)強(qiáng)光場限制，大幅提高了器件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性?；衔锇雽?dǎo)體與硅層共平面等厚度，易于實現(xiàn)二者間高效光耦合。

• 有源區(qū)精準(zhǔn)控制：在磷化銦薄膜的水平生長過程中，基于銦鎵砷（InGaAs）/磷化銦的豎直量子阱有源區(qū)可生長于薄膜的任意水平位置，實現(xiàn)了有源區(qū)位置的精準(zhǔn)可控，保證了激光器微腔光場峰值的高度耦合。同時，側(cè)向外延所形成的豎直的量子阱僅占薄膜平面面積的一小部分，可以避免氣孔對有源區(qū)的刻蝕穿透，從而顯著降低有源區(qū)表面的非輻射復(fù)合、提高泵浦效率。

• 簡單制備工藝：基于水平側(cè)向選區(qū)外延方法制備光子晶體激光器只需單步外延，無需懸空結(jié)構(gòu)制備、薄膜轉(zhuǎn)移和摻雜等工藝步驟，工藝復(fù)雜度低，有利于全晶圓規(guī)模高效低成本制備。

該項研究采用創(chuàng)新的水平側(cè)向選區(qū)外延技術(shù)，提高了光子晶體激光器的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和泵浦效率，并實現(xiàn)了與硅光波導(dǎo)層共平面的單片集成。該結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出實現(xiàn)電泵浦和與硅波導(dǎo)高效光耦合的潛力，為光子晶體激光器的制備提供了新的技術(shù)路線。該技術(shù)也適用于以水平邊發(fā)射以及垂直面發(fā)射的多種工作模式工作的多種微腔激光器結(jié)構(gòu)，邁出了未來硅基單片集成電泵浦微腔激光器發(fā)展及應(yīng)用的關(guān)鍵一步。