综述：转移印刷技术进展及其在光子集成电路中的应用

《Light-Science & Applications》：Advancements in transfer printing techniques and their applications in photonic integrated circuits

本综述系统梳理了转移印刷（TP）技术的最新进展，重点介绍了基于动力学控制、表面化学反应/附加层辅助、激光驱动非接触及仿生等原理的多种TP方法，并详细分析了其在光子集成电路（PIC）中集成激光器、半导体光放大器（SOA）、光电探测器等III-V族器件的应用，展现了TP作为一种高精度、高保真、低成本的异质集成技术的可行性与巨大潜力。

　　

引言

转移印刷（TP）是一种强大且多功能的集成方法，因其高精度、高保真和低成本而在科学研究和工业制造领域受到广泛关注。该技术利用印章的粘弹性特性，通过竞争多种界面粘附力，从供体基板上拾取器件（“墨水”）并将其印刷到目标基板上。通过在转移印刷操作中引入光、热、溶液、压力和磁场等外部刺激，可以进一步提高整体良率。本文综述了基于不同工作原理的转移印刷方法，并讨论了其在光子集成电路（PIC）中的详细应用，以激光器、半导体光放大器、光电探测器和其他光电子元件为例，阐明了转移印刷的可行性和生命力。

动力学控制的转移印刷

粘附强度可以通过动力学控制的TP技术进行调节。粘弹性弹性体印章可以通过范德华力与墨水相互作用形成粘附状态。通过调节剥离速度和印章的弯曲半径等机械操作，可以调制印章/墨水界面的粘附强度。

TP过程可以看作是印章/器件和器件/基板两种竞争性界面力断裂的过程。印章/器件界面的临界能量释放率G_crit^stamp/device随分离速度单调增加，而器件/基板界面的G_crit^{device/substrate}则与剥离速度无关。当两者相等时，存在一个临界分离速度。若剥离速度超过此临界速度，则发生拾取；反之，则在低速下（通常拾取为10 cm s^-1，印刷为1 mm s^-1）实现印刷。控制弹性印章的弯曲半径也能实现微尺度器件的拾取和印刷，例如通过较小的弯曲半径诱导弱粘附力以利于印刷。这种方法简单有效，但粘附状态切换能力有限，且需要精密的机器控制剥离速度，成本较高。

表面化学反应或附加层辅助的转移印刷

表面化学反应或附加层可以辅助TP。表面化学反应涉及键合反应和墨水材料的内在特性（如疏水性或亲水性）。附加层可能包括胶水、各种响应性胶带、石墨烯、聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAAm）涂层、混合糖、牺牲层等。

热释放胶带（TRT）在加热到约100°C时表现出巨大、可切换且不可逆的粘附强度变化，从而实现可靠的拾取和印刷。溶剂释放胶带（如3M 3850胶带和丙酮溶液）在浸入溶剂后失去粘附力，实现高保真转移。光敏胶带在紫外线（UV）照射下通过光化学交联反应削弱粘附状态。PNIPAAm是一种合成聚合物，在高于其最低临界溶解温度时发生从亲水性到疏水性的相变，其可逆的表面润湿性变化可用于制作TP印章。糖混合物作为印章可在固态和液态之间按需转换，适用于复杂3D曲面上的微打印。水辅助TP利用水与某些金属或金属氧化物反应形成可溶性氢氧化物的原理，在室温下实现纳米器件转移。冰辅助转移（IAT）和冰印章转移（IST）以冰为工艺介质，保证了极高的清洁度。使用牺牲层（如聚甲基丙烯酸甲酯或低表面能金属薄膜如Cu）是实现器件从供体基板分离的普遍方法，有助于保护墨水在拾取过程中免受弯曲或开裂。

激光驱动的非接触转移印刷

激光作为外部驱动器可实现无限的粘附切换能力。激光驱动的非接触TP利用激光脉冲加热时墨水/印章界面处的热机械失配。印章和器件的热响应行为不同，这会触发器件从印章边缘逐渐自动脱离。

通用过程包括：使用弹性聚二甲基硅氧烷（PDMS）印章从生长基板上拾取器件，对齐后，将带有墨水的印章置于目标基板上方几微米处，脉冲激光驱动墨水从印章释放到目标基板上。印刷过程不直接接触接收表面，因此与接收表面的形貌和特性无关，显著拓宽了兼容材料的范围。为了降低输入激光功率和器件损伤风险，研究人员提出了使用形状记忆聚合物（SMP）和碳黑复合微结构的改进方法。SMP可以记忆临时形状并在外部刺激（如光或热）下恢复原始形态。另一种新颖的方法采用带有由图案化薄膜封装的气腔的印章，通过激光加热引入局部形状变化来调节腔体压力，从而调制粘附状态。

激光驱动TP实现了非接触操作，局部激光束加热支持可编程TP，能以高分辨率和精度在接收基板上形成所需图案。然而，该方法需要复杂昂贵的机器来控制激光脉冲强度和曝光时间，且高温可能影响热敏感器件或材料的性能。

仿生转移印刷

受自然界生物粘附能力的启发，研究人员开发了多种仿生TP技术。

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  壁虎启发式TP：利用剪切力诱导的方向性粘附。例如，带有倾斜微瓣阵列的印章具有强烈的回缩角依赖性粘附强度。施加剪切应变或使用带有倾斜微柱的印章，通过控制回缩方向或垂直/横向位移来调节粘附状态，实现器件的拾取和释放。该方法粘附切换性能优异，但微米级柱状结构的制造过程复杂，且剪切力引起的墨水位移会降低TP分辨率。
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  蚜虫启发式TP：通过接触面积的变化控制粘附力，模拟蚜虫爪垫的充血或松弛状态。技术包括可膨胀印章、具有金字塔形微结构的PDMS/SMP印章、嵌入磁敏颗粒或可膨胀微球的印章等。通过外部刺激（如磁场、热或激光）改变接触面积来调节粘附强度。这种方法有效，但若器件/基板粘附力过强可能导致拾取失败，且微通道和表面浮雕需要复杂的制造工艺。
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  章鱼启发式TP：通过肌肉驱动调节吸盘内外压力差来产生强或弱的粘附状态。相关技术包括由温敏水凝胶层封装的空腔印章、植入由弹性膜分隔的充气腔和磁性颗粒腔的印章等。这些印章设计通过外部驱动源产生压力差来按需转换粘附状态，但制造工艺复杂，并引入了额外的成本和精度损失。

其他转移印刷技术

除了上述常规技术，还发展了旨在提高整体TP良率和适用性的新方法。

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  液滴印章：使用简单的液滴印章，通过在薄膜/管界面形成液桥，可以降低固体接触弹性印章引起的器件破裂风险。通过控制液滴体积实现拾取和释放，保持了高定位精度且无器件损伤。
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  气球印章：采用气动膨胀的弹性气球作为保形印章介质，可在曲面（如半球壳）上拾取和印刷预制的电子器件（如Si光电探测器阵列和太阳能电池）。
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  包裹式印章：包含弹性橡胶和水溶性胶带的花瓣状印章，通过预应变弹性膜的均匀压力恢复，可将平面电路印刷到目标球体上，用于制造球形天线、太阳能电池和发光二极管阵列。
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  热触发SMP块：利用热触发形状固定和恢复特性，可以处理从数十毫米到数十微米的物体，实现可编程的3D器件转移，例如将微LED阵列印刷到PDMS基板上。

在光子集成电路中的应用

硅光子学（SiPh）是实现复杂强大PIC的成熟平台。然而，在SiPh上原生集成功能性光学元件和光源（如激光器、调制器、光电探测器、半导体光放大器（SOA））尚未实现。异质集成是将III-V族半导体器件集成到PIC的关键途径。与传统的外延生长、晶圆/芯片键合和倒装芯片混合集成相比，转移印刷技术结合了晶圆键合的高通量和倒装芯片集成可对生长基板上的器件进行预测试的优点，对SiPh工艺流程干扰最小，允许晶圆级集成器件优惠券和材料薄膜。

目前最广泛使用的TP方法结合了弹性印章的速率依赖性粘附效应和壁虎启发式的剪切增强TP。商业化的X-Celeprint μTP-100是成熟的实验室级打印机。基本流程包括：在PIC后端栈中制作凹槽，喷涂粘合层（通常是二乙烯基-硅氧烷-双-苯并环丁烯）以增强III-V器件与硅波导的键合强度，快速抬起印章使器件优惠券从生长基板脱离，然后在轻微压力下将印章对准PIC凹槽，通过缓慢回撤并施加剪切力实现可靠印刷，最后进行后处理（去除封装和最终金属化）。

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  半导体光放大器（SOA）：作为助推放大器、前置放大器或用于波长转换，在PIC中至关重要。通过TP技术，已将不同光学限制因子的C波段InP-SOA集成到Si或SiN平台上，实现了高增益（如23 dB）和高输出饱和功率（如15.4 dBm）的SOA。将SOA与马赫-曾德尔干涉仪（MZI）电路或Si-MZI开关共集成，可实现波长转换和无损高速开关等功能。
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  激光器：利用TP技术，已在SiPh平台上实现了多种III-V激光器的集成，包括分布反馈（DFB）激光器（侧模抑制比SMSR >40 dB，波导耦合输出功率2.2 mW）、DFB激光器与光学功率放大器（OPA）的共集成（输出功率达14 dBm）、窄线宽可调谐激光器（调谐范围>100 nm）、O波段法布里-珀罗激光器、量子点激光器以及垂直腔面发射激光器（VCSEL）。这些激光器表现出高性能，如高输出功率、窄线宽和宽调谐范围。
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  其他光学元件：
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    光电探测器：通过TP将微米级GaAs光电探测器阵列转移到玻璃管等柔性基板上，表现出高响应度（>10⁴A W^-1）、高探测率（>10¹⁴Jones）等优异性能。也将InGaAs光电探测器集成到SOI基板上，实现了高带宽（17.5 GHz）探测。
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    发光二极管（LED）：转移打印的InP基薄膜LED可作为传感用的宽带光源，实现了130 nm的3dB带宽。
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    电吸收调制器（EAM）：将高速InP基EAM转移到SOI上，实现了高消光比（30 dB）和40 GHz的电带宽。
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    薄膜铌酸锂（TFLN）器件：通过TP将TFLN调制器、环形调制器、可调谐微环滤波器异质集成到SiN或Si波导平台上，实现了高性能调制（消光比39 dB，带宽>50 GHz）、快速滤波（响应时间<3 ns）和低串扰（<-45 dB）的光开关。

结论与展望

本文总结了TP技术的进展及其在PIC中的应用。TP是一种用于精确、确定性组装各种微尺度器件的通用且强大的方法。选择合适的印章和修饰方法对于实现无损转移至关重要。基于TP的III-V器件在PIC上的异质集成的可行性和可靠性已得到验证。结合印章的速率依赖性粘附效应和剪切增强TP，为将非原生III-V器件集成到PIC中以拓宽其应用范围提供了一种可靠的方法。

尽管TP具有低成本和高保真的特性，但仍存在一些问题。首先，商用最先进TP工具的对准精度（对于器件阵列和单个器件优惠券分别为±1.5 μm和±0.5 μm）和整体TP良率有待提高。使用绝热锥形结构可以在一定程度上处理TP过程中的错位，但仍需提高对准精度以确保光耦合效率。其次，由于印章的微米级设计，将纳米级器件转移到目标基板上具有挑战性。最后，需要在成本、制造难度、通量和操作时间之间进行权衡，因此需要一种广泛兼容的印章以实现工业化。

TP技术仍处于早期阶段，未来需要进一步细化并扩展到更广泛的应用范围。在可重构光子系统、柔性电子和生物相容性电子等领域具有巨大潜力。通过TP将预制的纳米级光学器件（如纳米线、纳米光栅和光学涡旋）集成到PIC平台上，也有利于建立强大、复杂且成本效益高的纳米光子系统。TP研究将持续活跃，有望带来进一步的创新和进展。