高温键合辅助离子切割法制备4英寸InP/Si单晶薄膜及其应力调控机制研究

针对大尺寸InP薄膜在硅基衬底上集成时存在的热应力难题，中科院团队通过有限元模拟优化键合温度（55°C），采用InP/InGaAs外延结构结合离子切割技术，成功制备出表面粗糙度0.347 nm、X射线摇摆曲线半高宽212.4弧秒的4英寸InP/Si异质集成衬底，为光电子集成芯片提供新型材料平台。

　　

论文解读
在光电子集成领域，III-V族半导体与硅基材料的异质集成被视为突破"光电子瓶颈"的关键路径。磷化铟(InP)因其优越的光电特性成为高速光通信器件的核心材料，但大尺寸InP单晶薄膜在硅衬底上的制备长期面临两大挑战：热膨胀系数(CTE)失配导致的界面应力，以及离子切割过程中的缺陷控制。传统方法制备的InP/Si界面易出现边缘应力集中，导致薄膜开裂或翘曲，严重制约器件良率。

为解决这一难题，中国科学院团队创新性地提出高温键合辅助离子切割技术。研究人员首先通过有限元模拟发现，InP/Si键合对的边缘区域在退火过程中会出现剪切应力τ(x)和剥离应力p(x)的剧烈波动，这种应力分布与材料CTE差异(Δα=2.6×10^-6
/K)直接相关。模拟数据显示，将键合温度提升至55°C可使界面应力降低38%，这为工艺优化提供了理论依据。

关键技术路线包含三大创新点：(1)采用InP/InGaAs外延结构作为"应力缓冲层"，通过分子束外延(MBE)生长200nm InP/50nm InGaAs异质结构；(2)基于COMSOL建立双层热应力模型，精确计算不同退火温度下的应力分布；(3)优化氢离子注入参数实现精准切割，后续选择性蚀刻去除InGaAs缺陷层。

研究结果
应力调控机制
有限元分析揭示键合界面存在明显的径向应力梯度，边缘区域应力值达到中心区域的4.7倍。当键合温度从25°C升至55°C时，最大剪切应力从218MPa降至135MPa，这得益于高温下材料塑性变形能力的增强。

材料表征
X射线衍射(XRD)测试显示，制备的4英寸InP薄膜(002)晶面摇摆曲线半高宽(FWHM)为212.4弧秒，表明晶体质量接近体材料水平。原子力显微镜(AFM)测得表面粗糙度(Ra)0.347nm，厚度均匀性达98%，显著优于传统直接外延法制备的样品。

缺陷分析
阴极荧光(CL)光谱证实氢离子注入产生的缺陷主要局限在InGaAs牺牲层，经选择性蚀刻后InP层的位错密度低于10⁶
cm^-2
。这种"缺陷过滤"效应是获得高质量薄膜的关键。

结论与意义
该研究通过理论模拟指导工艺创新，建立了大尺寸InP/Si异质集成的新范式。提出的高温键合策略有效缓解了热应力问题，而InP/InGaAs外延结构设计实现了缺陷的空间调控。所得4英寸InP薄膜的性能指标满足光调制器与激光器集成需求，为硅基光子集成电路(PIC)提供了可扩展的制造方案。这项工作被《Vacuum》收录，不仅推动了异质集成技术的发展，也为5G光模块、量子光源等前沿应用奠定了材料基础。