近些年来，中国大力发展的大数据、云计算、人工智能、量子技术以及诸多大科学装置是依赖于信息的快速获取、高速处理和高效传输，实现这一切的基础则是需要有性能更为强大的元器件作为保障。然而，传统的硅集成电路在数据的处理速度和带宽等性能上已越来越无法满足日益增长的需求。为此，人们一直通过不断提高提高微电子芯片的集成度来解决相关问题，目前， ASML EUV 光刻系统可实现 7 nm节点甚至更小尺度的晶体管制造，但随着器件特征尺度的不断减小，传统晶体管在速度、功耗、集成度、可靠性等方面受到一系列基本物理问题和工艺技术的限制，为此，一方面将高迁移率“非硅”材料引入到 Si 基 CMOS 技术中，成为下一代逻辑芯片的必要选择；另一方面在Si 基实现光子器件与电子器件在硅晶片上集成，即将CMOS兼容的激光、光调制器、光波导、光探测器等器件集成到微电子电路中，称为硅基光电子集成^[1]。在CMOS 技术研究中，III-V 族半导体具有很高的电子迁移率(GaAs、InAs 的电子迁移率分别可达到 9000cm2/(V·s)、40000cm2/(V·s))，它们在低场和高场下都具有优异的电子输运性能，是超高速、低功耗 nMOS 的理想沟道材料, 而锗材料以其较高的低电场空穴迁移率，是作为 PMOS 器件沟道的理想材料。图1表展示了典型的元素和化合物半导体材料的迁移率数据^[2]。可以看出，Ge具有较高的空穴迁移率，III-V复合半导体材料(GaP除外)比Si具有更高的电子能动性，在硅衬底上实现 III-V 族材料与锗材料的单片集成，并进一步制备 CMOS 器件，可以极大的提高逻辑芯片的性能。 

　　Ge/III-V与Si CMOS平台的异构集成是实现7 nm及以下技术节点的超低功耗集成系统的一个很有前途的方向，如下图1所示^[3]。 

　　图1：Si平台Ge/III-V器件异质集成的发展趋势 

　　在硅基光子与微电子器件集成方面，最大的困难是实现光源（包括激光器和放大器）在硅衬底上的集成。由于Si是间接带隙半导体材料，其发光效率很低；III-V化合物半导体是直接带隙材料，能够高效发光，在Si基上异质集成 III-V 材料并实现 Si 基光源，将会进一步推进硅基光互联的快速发展。Ⅲ-Ⅴ化合物特别是砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等，天然是直接带隙材料，其价带顶和导带底位于波矢 k 空间中同一位置，电子、空穴复合无需交换动量，因此具有很高的内量子效率^[4]。并且其二者及其固溶物 InGaAsP、InGaAlAs 等正好覆盖光通信常用的 O 波段（1260 nm-1360 nm，中心为 1310 nm）与 C+L 波段（C 波段：1530 nm-1565nm，中心为 1550 nm；L 波段：1565 nm-1625nm）。由化合物半导体制作的半导体激光器，构成了如今光网络中光发射模块的核心部件——目前高速直调激光器速率已超过 50 Gbit/s^[5]；可调谐激光器能在边模抑制比达到 40 dB 的同时，调谐范围大于 30 nm、甚至可达 40 nm 以上^[6]；下一步正在开发新一代速率 400 Gbit/s 的传输标准。如图2所示^[7]，开发出的硅基量子点激光器示意图，工作温度达到100℃，激光器激射波长延伸到 1310 nm 附近，可靠性也得到了很大提升。 

　　 图2：硅基异质集成III-V族量子点激光器结构示意图 

　　实现硅基上异质集成 III-V 材料，直接外延与键合是目前两种主流的解决方案。晶圆键合是指在晶圆的两个表面涂上一层玻璃薄膜，然后在薄膜软化温度下将两层表面压在一起，在高温下将两层固体“粘”在一起。图3是目前用于将GaAs膜或更复杂的HS(例如激光结构)转通过键合移到大块硅衬底上的过程示意图^[8]。 

　　                        图3：晶片键合法制造GaAs/Si基底的原理图^[8]  

　　    在硅上直接外延三五族化合物半导体是最直接的一种方法，然而硅和III-V族化合物半导体材料的晶格失配很大（硅与 GaAs、 InP的失配分别为 4 %和 8 %），在硅上外延III-V族半导体材料会在材料内导致应变的产生。另外，硅是非极性晶体，而III-V族半导体是极性晶体，当两者结合时会在界面处产生反相畴。因此，如果控制不好生长条件，会导致材料内存在较大应力，以及较大的成核尺寸导致的表面粗糙，这些都影响着硅上外延III-V族半导体材料的质量和器件的性能。图4为一些半导体材料，以及它们相应的电子特性，如BG和晶格常数差异等。 

　　图4：V族与III-V半导体的能隙与晶格常数差异 

　　    在面对硅基 III-V 族材料异质外延中晶格失配、热失配导致的失配位错，以及极性半导体在非极性半导体上外延时产生的反相畴及反相畴边界问题时，获得高质量的III-V半导体材料外延层，直接决定了半导体光电器件的性能，图5为硅基 III-V族材料异质外延的现状及主要挑战。 

　　图5：硅基 III-V族材料异质外延的现状及主要挑战 

　　 为了解决这些问题，通常引入缓冲层来减小III-V族半导体在硅上生长带来的缺陷密度比如，Ge 与 GaAs 的失配为 0.08 %，热膨胀系数也比较接近，因此，通过 Ge 缓冲层在硅上可以外延 GaAs，并可在此基础上外延其他III-V族材料。为了抑制反相畴，可使用有一定偏角的硅衬底并在 V 族元素气体中高温预处理衬底，通过这种方法在硅衬底上形成双原子台阶并实现表面重构，能够抑制了反相畴。近日，中科院微电子所集成电路先导工艺研发中心Henry Radamson研究员课题组在先导中心平台上成功研制了8寸的GaAs晶圆，其表面无反向畴缺陷，表面粗糙度小于1nm，得到了所长基金和中国科学院创新研究院的支持。该成果将为下一步开展InGaAs/InP、InGaP等光电器件提供良好的外延层材料基础。 

　　图6：先导中心8寸平台上制备的8-inch GaAs晶圆 　  

　　[1]Wang Ting, Zhang Jian-jun, Liu Hui-yun,Quantum dot lasers on silicon substrate forsilicon photonic integration and their prospect[J],ActaPhy.Sin.Vol.64,No.20(2015) 

　　[2] O.Madelung, Semiconductors: Data Handbook (Springer, 2004) 

　　[3]Shinichi Takagi and Mitsuru Takenaka,Ge/III-VMOS Device Technologies for Low Power Integrated Systems,Europeansolid state device research conference 2015, pp20-25 

　　[4]SRINIVASANS, LIU A, LIANG D et al. Lasers (Emitters) and Amplifiers on Silicon[M], VENGHAUSH, GROTE N.. Fibre Optic Communication: Key Devices. Springer. 

　　[5]MATSUI Y,PHAM T, SUDO T et al. 112-Gb/s WDM link using two Directly Modulated Al-MQW BHDFB Lasers at 56 Gb/s[J]. Optical Fiber Communication Conference Post DeadlinePapers, 2015. 

　　[6]GOTODA M,NISHIMURA T, TOKUDA Y. Widely tunable SOA-integrated DBR laser with combinationof sampled-grating and superstructure grating[J]. 2004 IEEE 19th International SemiconductorLaser Conference, 2004 

　　[7]A. Lee, Q.Jiang, M. Tang, et al.,“Continuous-wave InAs/GaAs quantum-dot laser diodesmonolithically grown on Si substrate with low threshold current densities,”Optics Express, vol.20, pp. 22181, 2012. 

　　[8] Yu BBolkhovityanov, O P Pchelyakov. GaAs epitaxy on Si substrates: modern status ofresearch and engineering, 2008 Phys.-Usp. 51 437