硅光片上激光器四条路线

编译自 MDPI Photonics 2024, 11(3), 212

硅光平台这几年的进展，几乎把光子集成电路该有的部件都补齐了。超低损耗波导、高速调制器、光探测器、分束器、波分复用器，都能在成熟的 CMOS 产线上做出来，成本和良率也站得住。整条链路里唯一缺的，是光源。硅是间接带隙材料，导带底和价带顶在动量空间里对不上，电子与空穴复合要借助声子，辐射复合概率极低，发光效率差到不能作为光源使用。把激光器装到硅上，成了硅光平台最后一道、也是最难的一道题。

间接带隙这道硬墙

把问题量化一下会更清楚。III-V 族材料如 InP 和 GaAs 是直接带隙，还具备线性电光效应，已经在通信里商用了五十年，但纯 III-V 平台受制于晶圆尺寸（InP 约 150 mm，GaAs 约 200 mm），波导损耗常常超过 1 dB/cm，很难做高密度集成。硅的优势则在另外一侧：折射率对比高、通信波段透明、热光系数大、与 CMOS 工艺兼容。也就是说，无源器件和探测器、调制器这两个有源器件的难题，硅都已经解决，只有高效本征光源这一项拿不出来。

替代方案于是分成两条思路：要么改造硅自身的能带结构，要么直接把别的材料的增益介质搬到硅平台上。论文按增益介质把现有路线分成四类，逐类评估。

IV 族：改带隙的两条路

第一条路线仍然用硅基材料，靠应变和合金化把间接带隙掰成直接带隙。锗是首选，方法有两种：施加拉伸应变，或者重掺 n 型以填满 L 谷、提高 Γ 谷的辐射概率；另一种是掺锡，当锡组分超过约 9%，GeSn 合金会转变为直接带隙，而且可以与硅单片外延，天然兼容 CMOS。

具体成果是这样的。2010 年 Liu 等人用 0.24% 的热致拉伸应变加上 1 × 1019 cm−3 的磷掺杂，把锗的直接带隙缩到 0.76 eV，在 4.8 mm 长的法布里-珀罗腔里实现室温多模激射，峰值波长在 1599、1606、1612 nm，阈值约 6.0 μJ/脉冲，泵浦峰值功率 300 kW/cm²。2017 年有团队把单轴拉伸应变提高到 1.6%，配合分布式布拉格反射镜，在 83 K 下实现多模激射。

GeSn 的进展更集中在近几年。2015 年 12.6% 锡组分实现 90 K 工作；2019 年 20% 锡组分做到室温工作；2018 年约 13% 锡组分的多量子阱结构在 20 K 下阈值 40 kW/cm²；2020 年有团队用 5.4% 锡组分加氮化硅应力层做出拉伸应变 GeSn 微盘，在 2.5 μm 波长、70 K 下连续波阈值 1.1 kW/cm²，100 K 脉冲阈值 0.8 kW/cm²。电注入也有突破：GeSn/SiGeSn 双异质结二极管在 100 K 脉冲下输出 2300 nm，阈值电流密度 598 A/cm²，10 K 时单侧面峰值功率 2.7 mW。

代价也很明确：间接带隙的本质并没有被消除，阈值电流密度仍然很高，做出高效且可规模化的激光器依旧困难。

III-V：最成熟也最贵

第二条路线是把 III-V 族增益介质搬到硅上，分异质集成与单片集成两种做法。异质集成里，晶粒到晶圆键合可以做到高密度集成，再叠加 MOS 电容做氧化层调谐，就能实现波长可调的微环激光器；粘合键合则用 DVS-BCB 聚合物做中间层，在低温下完成键合，避免高温损伤 III-V 材料，已经演示出梳状激光器。

性能数据是四类路线里最好看的。InAs/GaAs 量子点分布式反馈激光器键合到硅上后，工作波长 1300 nm，边模抑制比 40 dB，100 °C 下连续波工作，电流密度低至 205 A/cm²。倏逝耦合量子点分布式反馈激光器做到阈值电流 4 mA，3 dB 带宽 13 GHz，边模抑制比 60 dB，线宽 26 kHz。多层异质集成结构的温漂只有 10.46 pm/°C，而常规 III-V 到硅的键合结构温漂是 73.18 pm/°C，洛伦兹线宽 4 kHz。粘合键合梳状激光器在 37.4 mm 的硅波导腔里实现 1 GHz 重复频率、超过 1400 条锁相梳线。

单片集成省掉了键合步骤，成本更低、扩展性更好。分子束外延直接生长在硅上的量子点微盘激光器，阈值电流密度 62.5 A/cm²，室温输出超过 105 mW，可工作到 120 °C，平均失效时间超过 100,158 小时，位错密度控制在 105 cm−2。2022 年在 300 mm 硅上做的电泵浦量子点激光器，1300 nm 波长，20 °C 下最大双面输出 126.6 mW，壁插效率 8.6%（214 mA 时），阈值 47.5 mA。

制约同样清楚。异质集成的成本高、良率低、扩展性有限；单片集成则受困于晶格失配带来的穿透位错、热裂纹与反相畴，高位错密度会明显拉低激光器性能。

二维材料与量子点

第三条路线用二维材料做增益介质。二碲化钼、二硫化钼、二硒化钨这类过渡金属硫族化合物可以通过范德华力转印到硅上，再配合高 Q 值的光子晶体腔或微盘腔，利用珀塞尔效应增强光与物质的相互作用。

这一类的数字很有吸引力。单层二碲化钼光子晶体纳米梁激光器在 1132 nm 工作，线宽 0.202 nm，Q 值 5603，室温连续波。二硫化钼与二硒化钨异质结光子晶体结构在 1128.6 nm 实现室温超低阈值，只有 54 μW。双层二硫化钼夹二氧化硅的微盘结构，在 600 到 800 nm 波段室温连续波阈值 5 μW，Q 值 2600 到 3300。2023 年有团队做出无需转印的阵列方案，用二硫化钨配合氮化硅与氧化铝，在 640 到 662 nm 工作，Q 值 3766，光限制因子提升 4.8 倍。

但二维材料的量子产率偏低，缺陷与俄歇复合限制了效率，而且绝大多数成果依赖光泵浦，电泵浦仍是核心难题。大面积均匀高质量二维材料的合成方法也还没有解决。

第四条路线是胶体量子点。溶液加工的量子点带隙可调，覆盖紫外到红外，尺寸在 1 到 10 nm 之间就能改变发射波长，还能与氮化硅腔集成。实测数据包括：硫化镉量子点在微秒级泵浦下模态增益 1200 cm−1；应变光子晶体分布式反馈结构连续波阈值 8.4 kW/cm²，稳定工作 30 分钟；硫化铅配合氧化锌的结构在 1650 nm 工作，线宽 1.23 nm，阈值 385 μJ/cm²，室温连续波维持 5 小时；与氮化硅微盘集成的方案直径 7 μm，630 nm 工作，Q 值 1000，阈值仅 27 μJ/cm²。制约在于俄歇复合导致增益寿命短，目前全部成果都停留在光泵浦阶段。

图1　四类增益介质的进展与短板对照

集成方法怎么选

增益介质选定之后，还有一个同等重要的问题是把它怎么放到硅上。论文梳理了主要方法及其取舍。

· 晶粒到晶圆键合：把制备好的 III-V 晶粒高精度对准后键合到硅晶圆上，可用物理或化学键合方式。优点是容差大、对位精度要求松、密度由凸点间距决定，成本相对可控。

· 粘合键合：在两片晶圆之间涂聚合物，紫外预固化后低温退火形成无空隙键合。工艺温度低，能避免 III-V 材料受损，但中间层会引入额外损耗。

· 单片外延：在硅衬底上直接生长 III-V 化合物，制造成本最低、扩展性最好，晶格失配带来的穿透位错、热裂纹和反相畴是必须解决的问题。

· 倒装与微转印：把做好的 III-V 器件倒装贴装或用弹性体印章拾放，适合多通道场景与大面阵低成本制造，但对准精度是瓶颈。

· 倏逝波耦合：让 III-V 的模式与硅波导的倏逝场重叠来传光，光限制好、损耗低，常用于异质集成腔。

还有一类是二维材料专用的范德华转印，不需要粘合剂，工艺简单，但大规模均匀性差，转移过程容易降低腔体 Q 值。

图2　五种硅上激光器集成方式的取舍

四条路线各自缺什么

把四类路线并排看，各自的短板是不一样的。IV 族受间接带隙限制，阈值偏高，难以同时做到高效与可扩展；III-V 异质集成性能最好但成本与良率是痛点，单片集成则卡在位错密度与器件退化寿命；二维材料易于集成、量子限制效应好、成本低，短板是低量子产率与电泵浦缺失；胶体量子点波长可调、溶液加工方便，但目前连电泵浦都还没有实现。

论文给出的方向集中在三件事：提升激光器质量与良率、降低集成成本、最终走向完全 CMOS 兼容的硅基光子集成电路，支撑光通信与光互连、激光雷达、生化传感和光计算。对二维材料，重点是把阈值降下来、功率提上去，并打通电注入；对量子点，则期待材料科学与器件结构的双重优化，让它成为溶液加工集成的重要补充。

从产业角度看，这个判断并不意外。硅光平台把调制器做到上百 Gb/s 用了大约十年，光源因为要跨材料体系，难度更高一档。四条路线各有进展也各有硬伤，短期内更现实的做法是让它们各自守住合适的位置，由 III-V 键合顶住高端，同时等 IV 族、二维材料与量子点逐步补上成本与量产这一课。