硅光子学
硅是制造几乎所有经典电子集成电路的材料。虽然SOI现在被用于高端电子集成电路的制造，但该材料在光子应用中的应用正在被深入研究。SOI晶片由硅衬底上的掩埋二氧化硅层上的硅层组成。虽然在电子集成电路中，掩埋二氧化硅层的存在改善了晶体管的性能，但是在光子应用中，它用于在Si顶层和二氧化硅之间创建高垂直折射率对比，能够通过全内反射引导Si顶层的近红外光。通过横向蚀刻硅顶层，得到低折射率空气和二氧化硅包层材料，可以获得较大的全向光子线。
高的全向折射率对比度使SOI芯片上的光学功能能够进行大规模的集成，因为光被紧密地限制在硅线上。它允许制造具有高品质因数的超小型谐振器波长级波导弯曲, 以及光子线间距在数量级的光学电路，串扰可以忽略不计。此外，光子线中的紧密限制和相关的高功率密度允许在中等光功率水平下利用硅的非线性光学特性。为了制造这些光子集成电路，可以使用标准互补金属氧化物半导体(CMOS)技术。这允许高产量制造和通过规模经济降低部件成本。甚至在公共衬底上集成光子和电子功能也是可行的。
虽然近年来许多研究小组报道了SOI中光子电路的高性能操作（如波长选择光学功能、光功率分割器和光调制器和全光波长转换器等主动光学功能），但硅作为受激光发射介质的使用一直受到其间接带隙的阻碍。由于这种间接的带隙，由于更高的非辐射复合速率，激发电子-空穴对重组和发射光子的概率大大降低。虽然进步正在实现发光从硅，通过修改硅纳米尺度或利用其非线性光学特性，在可预见的未来这些设备不会超过其III-V半导体同行，目前为电信提供最先进的光电元件市场。因此，我们建议在SOI波导衬底上集成一个直接带隙III-V层，以实现受激光发射，并将该受激光发射与底层的SOI波导电路耦合，如图1所示。然而，集成过程应保持CMOS制造工艺的优势，即产量高，规模经济。
图 1
半导体晶圆键合
在SOI之上，III-V材料的集成主要有三条途径，即倒装芯片集成、异质外延生长和粘接技术。在第一个芯片中，单个激光二极管模具被翻转芯片并耦合到SOI波导电路。虽然倒装芯片集成是最坚固的，但它是一个缓慢的过程，因为单个模具需要准确地对齐并放置在表面上。此外，积分密度也受到凸起的间距和大小的限制。InP是一种用于产生1.55µm通信波长的受激发光的III-V材料，它的异种外延生长受到III-V材料和Si主衬底之间8%的大晶格不匹配的阻碍。这导致生长层中的大的穿透和错配位错密度以及光学性能的恶化。
尽管已经证明了在硅上生长GaAs(晶格失配为4%)InP的生长需要非常厚的缓冲层，以便保护器件有源层免受生长缺陷的影响。由于铝镓砷硼的生长模式与磷化铟和GaAs完全不同，所以在硅上异质外延铝镓砷硼的研究正在取得进展。这可能为制造发射电信波长的异质外延生长的ⅲ-ⅴ族激光二极管铺平道路。温度预算和污染以及在同一硅衬底上的互补金属氧化物半导体电子制造仍然是一个问题。最后一种途径是半导体晶圆键合，通过将III-V层叠从原始生长衬底转移到SOI晶圆，可以将高质量的III-V外延层集成到Si平台上。为了降低集成工艺的成本，在昂贵的ⅲ-ⅴ族材料的时间和消耗方面，已经提出了管芯到晶片的键合工艺，其中未处理的InP管芯被键合到已处理的SOI晶片上，外这减少了材料消耗，因为III-V半导体只在需要的地方结合，与倒装芯片过程相比，减少了完成集成过程所需的时间，因为由于模具上没有结构，需要有限的对准精度。
SOI上的激光二极管
激光二极管结构的选择以及ⅲ-ⅴ层和SOI波导电路之间的耦合方法取决于设想的应用。例如，在光纤到户(FTTH)的收发器应用中, 来自客户家庭的上行数据流量需要高光输出功率，而激光二极管的功耗和占地面积并不重要。在这种情况下，SOI波导电路将执行上行和下行数据业务的双工功能。在芯片内光互连应用中在使用激光二极管在电子集成电路上的不同点之间传输数据的情况下，功耗和器件占地面积至关重要，而光输出功率可能相当低(几十微瓦)。在这种情况下，SOI无源波导电路将仅在电子集成电路上提供光学点对点。考虑到应用的多样性，设计并制作了两种类型的激光二极管架构和耦合方案。
键合到硅上的微盘激光二极管
在过去的二十年里，微盘激光器已经显示出作为大规模光子集成电路的紧凑和相干光源的潜力。电注入微盘激光器已经在阈值电流低至40 A的InP衬底上得到证实。在这项工作中，这些微米大小的激光器件被集成在一个普通的硅晶片上，作为它们在SOI平台上集成的第一步。微盘激光器结构的示意图如图7所示。微盘被蚀刻成500纳米厚的InP外延层堆叠，该外延层堆叠结合在普通硅晶片的顶部。在这种情况下，ⅲ-ⅴ层转移是通过分子键合实现的。这种结构中的基本光学共振是回音壁模式。因此，顶部金属触点可以放置在微盘的中心，而不会增加额外的光学损耗。底部接触可以放置在薄的横向接触层上，该层将不会导致显著的额外光学损耗由于光从回音壁模式泄漏到薄板中而产生，前提是薄板足够薄。设计中的另一个问题，电注入薄膜微激光器的关键是如何制作低接触电阻的p型触点。
图 7
结论
与电子学类似，光子集成电路提供了实现低成本、紧凑光学功能的潜力。SOI是这种光子集成的一个有前途的材料平台，因为人们可以依靠大规模的CMOS处理基础设施来制造光学组件。然而，硅的间接带隙阻碍了硅激光器的集成。我们回顾了最近在SOI波导电路上集成激光二极管的工作。这是通过使用分子键合或粘合剂键合方法通过管芯到晶片键合工艺将ⅲ-ⅴ族外延层结构转移到SOI波导电路上来实现的。这种集成方法的优点是允许将几乎无缺陷的高质量外延ⅲ-ⅴ层结构集成在SOI波导电路的顶部，而未处理的ⅲ-ⅴ管芯的键合允许放宽倒装成品光电元件中遇到的对准公差。
