基于金属有机气相沉积技术的集成光电互联技术

耿煜，陈勖，赖红，李钦，张运生

（深圳信息职业技术学院软件学院，广东 深圳 518172）

引言

随着集成电路（IC）时钟速度和布线密度的增加，由于功率损耗和带宽限制，通过传统电路的芯片间和芯片内互连遇到越来越多的困难。

130纳米技术节点中，微处理器约50%功耗消耗在互联电路中，并且随着电路规模的缩小，这种情况预计会迅速恶化[1]。信息通信技术（ICT）系统的整体功耗（包括智能手机，电脑、电视机等）约为世界总发电量的10%，或大致为德国和日本的发电量总和。如图1[2]所示数据中心消耗全球总电量占2%左右，十年内可能消耗1000TWh，其中约15%-30%的电量用于导线互连。

图1 云数据中心供电趋势[2]。Fig.1 Electricity to power the cloud' s data centers[2].

此外，在IC系统内部，将信息从系统的一部分传输到另一部分的总线以比芯片上的时钟速率慢得多的速率运行，并且电互连的有限速度也限制了芯片和芯片之间的通信。这种电气互连的速度问题是因为它们不能像晶体管那样以缩小尺寸的速度缩小比例[3]，因此，电气互连而不是终端设备已成为速度限制的瓶颈。

为了解决电互连的问题，光互连已经被提出并用作铜基互连的替代物。在长途电信超过10公里的情况下，在过去的30年中，最小衰减和色散窗口在1.3μm和1.55μm波长的光纤已经取代了电线。对于芯片间和芯片内部的互连应用，光学互连最初由Goodman于1984年提出，由于其具有大量数据的容量，研究人员一直在深入研究如何提高数据质量和降低功耗。

1 通过金属有机气相沉积（MOCVD）在硅衬底上集成III-V光电子器件

在硅衬底上集成诸如光电探测器（PD）、激光器之类的光子器件是用于芯片间和芯片内光学互连的具有很大前途的解决方案。在1.3μm和1.55μm波长处透明且与二氧化硅具有大折射率差的硅适合用作集成波导。硅还具有成本低，工业基础设施成熟等优点。因此，在硅平台上构建一个集成光子电子系统已成为过去十年中最热门的研究课题之一。研究人员在硅上已经展示了各种光电器件，包括激光器[4,5]，调制器[6]和PD[7,8]。

1.1 在硅上使用III-V的优越性

硅上的光电子器件有两种主要的候选材料，即锗和III-V材料。

锗上的锗光电子器件由于其与标准互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺的潜在兼容性而被深入研究。L. Virot等人使用标准的微电子工具和工艺在200mm绝缘体上硅（SOI）衬底上展示了与硅波导集成的横向PIN 锗光电二极管，如图2[9]所示。在零偏压下，已经实现了超过50GHz的非常高的光学带宽以及在1550nm波长处的高达0.78A/W的响应度。这些光电二极管还提供非常低的暗电流（在-1V反向偏压时通常为25nA），同时在标准CMOS工艺流程中可以非常简单的集成。

图2（a）光电二极管结构横截面示意图 （b）不同器件在-3 V偏置下的光电二极管频率响应[9]。Fig.2 (a) Schematics of cross-sectional view of the photodiode structure. (b) Photodiode frequency response at -3 V bias of different devices[9].

Camacho-Aguilera等人在2012年在硅上制作了一个电泵浦的锗激光器[4]。激射波长在1520nm至1700nm的范围内。如图3所示，在1650nm波长下，阈值电流密度约为280kA/cm2，光发射功率约为1mW。

图3 硅上电泵浦锗激光器的示意图[4]。Fig.3 Schematics of electrically pumped Ge laser on Si[4]

虽然各种锗光电子器件已经成功演示，但是锗激光器的性能仍然很差，与III-V型器件相比，该技术还不成熟，从而限制了锗激光器与其他器件集成在同一硅衬底。而且锗是一种间接带隙半导体，限制其在广电领域的应用。因此，研究重点主要集中于基于III-V的器件与硅平台集成。

III-V族化合物半导体相对于硅和锗具有较高的电子迁移率和较小的有效电子质量，这使得该材料系统非常适用于高速电子器件。基于InGaAs的晶体管在过去二十多年中一直保持着高频性能的纪录，并且已经在硅衬底上展示了各种III-V电子器件[7]。III-V材料的直接带隙性质使得该材料系统成为光子器件的良好候选者。各种光子器件，例如硅衬底上的激光器和PDs，已经被证明具有良好的直流（DC）和射频（RF）性能[4,7,8]。

1.2 硅衬底上III-V族材料的MOCVD生长

为了在硅平台上集成III-V光电子器件，在硅衬底上获得GaAs和InP等高质量III-V层是至关重要和不可或缺的。键合和异质外延是实现这一目标的两种主要方法。

键合技术可以将高质量的III-V薄层转移到硅上，并产生原子级光滑，导电和光学透明的键合界面。这项技术被许多研究小组采用[8]。D. Liang等人报道了在SOI衬底上集成PD的电泵混合硅微环激光器，如图4所示[10]。对于150和250nm的耦合间隙，阈值电流分别为9.37和5.79mA，导通功率分别为13.29和10.12mW。然而，平坦和光滑表面的严格要求以及III-V和硅衬底之间的尺寸不匹配限制了键合在可扩展制造中的应用。

图 4具有硅波导的混合微环激光器的示意图。模拟的基本横电波模式被发现在波导的边缘[10]。Fig.4 Schematics of a hybrid micro-ring laser with a Si waveguide.The simulated fundamental transverse electric mode was found to be at the edge of the waveguide[10]

与衬底键合相比，硅上的GaAs和InP层的直接外延生长是低成本大规模生产的理想衬底级解决方案，该方法可以利用硅衬底大尺寸，良好的导热性和机械性能。然而，在硅衬底上生长高质量的GaAs和InP外延层并不简单，因为非极性硅和极性III-V材料上存在大的晶格失配和不同的热膨胀系数。GaAs和InP与硅具有4%和8%的晶格失配，导致在GaAs/InP和InP/GaAs界面产生失配位错，并在硅上产生III-V层的综合应力。从异质界面传播到顶面的穿透位错将显著降低器件性能。对于硅上的PD，大的位错密度会导致较大的暗电流密度，从而限制器件灵敏度。对于硅上的激光，穿过量子阱（QW）区域的位错线是非辐射复合中心。在异质外延期间由温度升高和冷却引起的热失配会在III-V膜中引入额外的应力。此外，诸如反相畴（APD），双缺陷和堆垛层错等平面缺陷也会导致大的泄漏电流并降低器件性能。

为了在硅衬底上生长GaAs和InP外延层，在过去的几十年中已经研究了许多方法[11-14]。比如，通过抑制穿透位错，反相边界（APB）和其他缺陷技术来优化生长层质量。但是，目前仍然没有一种通用的解决方案，需要根据各个应用场景选择合适的优化措施。

双温度生长技术是一种减少各种缺陷的有效方法，该技术由薄的成核层的低温（LT）生长和常规的高温（HT）生长组成。图6（a）显示了硅上GaAs MOCVD生长的过程。

首先，在800℃下的H2中进行烘烤以去除天然氧化物。然后用AsH3或TBA将温度降低至400℃。当温度稳定在400℃时，GaAs成核层因大失配异质外延生长，如图6（b）所示。该成核层是三维（3D）岛的薄层。

在GaAs成核层之后，生长暂停并且温度升高到较高温度以进行随后的生长，在此期间GaAs 3D岛开始聚结，如图6（c）所示。在HT生长步骤中，形成二维（2D）层，如图6（d）所示。

图5 双温度生长技术的示意图。（a）双温度生长技术的过程。（b）在LT步骤中形成3D成核点。（c）在升温过程中3D岛开始聚结。（d）在HT步骤期间形成2D层Fig. 5 Illustration of two-temperature growth technique. (a) The process of two-temperature growth technique. (b) Formation of 3D nucleation dots during LT step. (c) 3D islands begin to coalesce during the temperature ramping up. (d) 2D layers are formed during HT step

基于双温度生长技术的许多方法也已经被开发出来，例如使用锗缓冲，合金缓冲的组成分级，在未切割的硅衬底上的生长，热退火和应变平衡层的插入。

Takagi等人采用合金缓冲组分分级的方法[15]生长了短时间的GaP/GaAs超晶格，其中作为过渡层的GaAs的含量逐渐增加。初始GaP的生长首先在500℃下进行，然后在750℃下继续生长。在硅/GaP界面处观察到高密度的结构缺陷（～1011cm-2），从界面减少至～108cm-2。

在异质外延层中插入应变层超晶格（SLS）也被广泛使用，并且M. Tang等人 采用InAlAs/GaAs位错滤波器层在硅衬底上单片生长InAs/GaAs量子点（QD）激光器[16]。图6中的透射电子显微镜（TEM）图像显示，InGaAs/GaAs SLS和InAlAs/GaAs通过弯曲SLS界面处的位错线并消除它们而有效减少位错密度。

研究人员采用以上生长技术，已经制造出大量优良性能的器件。W. Prost等人早在2007年就制造出10G Hz，暗电流1μA的p-i-n InGaAs/Si光电探测器[17]. S Chen 等于2017年制作了1.3μm InAs/GaAs 两点点激光器[18].

2 结论

本文介绍了光电集成电路的背景知识以及光电集成遇到的问题和解决方法。III-V材料的直接带隙性质使得该材料系统成为光子器件的良好候选者。各种光子器件，例如硅衬底上的激光器和PD，已经被证明具有良好的直流和射频性能。硅上的GaAs和InP层的直接外延生长是低成本大规模生产的理想衬底级解决方案，它可以利用硅衬底大尺寸，良好的导热性和机械坚固性。研究人员采用了抑制穿透位错，反相边界（APB）和其他缺陷的技术来优化生长层质量，并制造出了性能良好的各种光电器件。