微米級倒裝焊接到底多難？InGaAs/InP SPAD陣列如何第一次被“貼”上硅光子芯片？

1.研究成就与核心价值

此研究成功展示了近红外铟镓砷/磷化铟(InGaAs/InP)单光子雪崩二极管(SPADs)阵列与硅光子芯片之间的混合集成技术，采用了先进的倒装焊接(flip-chip soldering)方法。

这项工作是实现硅量子光子电路与近红外SPADs集成的重要可行性证明。

主要技术突破包括：

首次在绝缘体上硅(SOI)基板上，通过微米级对准的倒装焊接技术，实现了4×1 SPADs阵列感光区域与硅芯片上光栅耦合器的精准对准，同时完成了SPADs阵列与硅光子芯片的电极连接。

尽管处于初步集成阶段，实验结果已显示出实用性能。在偏压电压为73 V、近室温(0 ℃)条件下，器件实现了约1%的片上光子探测效率(on-chip PDE)以及约400 kHz的归一化暗计数率(normalized DCR)。

该混合集成方案为开发大规模、稳定且实用的光子系统提供了极具前景的解决路径。

系统未来有望成为量子密钥分发(QKD)等量子信息系统的处理节点，并可应用于激光雷达(Lidar)、光谱传感和光时域反射仪(OTDR)等领域。

2.研究团队

此研究由中国顶尖学术机构的合作团队完成，主要成员包括：

任小松 - 清华大学电子工程系
史艳丽 - 云南大学物理与天文学院
刘东宁 - 清华大学电子工程系
黄翊东 - 清华大学电子工程系，北京量子信息科学研究院
胡明忠 - 清华大学电子工程系
张伟 - 清华大学电子工程系，北京量子信息科学研究院

3.研究背景：量子光子系统集成的挑战

在量子信息系统发展中，硅光子芯片因其高集成度、低损耗和成熟的CMOS工艺兼容性，已成为实现片上量子信息系统的重要平台。

然而，建立可扩展且稳定的量子信息系统，关键在于将单光子操控与探测功能有效集成到硅光子芯片上。

在电信波段，目前最常用的单光子探测器主要有两种：

超导纳米线单光子探测器(SNSPDs)和铟镓砷/磷化铟单光子雪崩二极管(InGaAs/InP SPADs)。尽管SNSPDs效率优异，但需要复杂且体积庞大的制冷系统，极大限制了实际应用的便利性与可扩展性。

相比之下，InGaAs/InP SPADs的优势体现在：可在接近室温条件下达到较高的光子探测效率(PDE)，同时维持较低的暗计数率(DCR)，且无需复杂制冷系统，更适合实际的单光子探测应用。

因此，如何将性能可靠、无需极低温操作的InGaAs/InP SPADs阵列，精确、稳定地与复杂硅光子电路进行大规模异质集成，成为推动实用化量子光子系统发展的重大技术挑战。

4.解决方案：微米级对准倒装焊接的混合集成策略

为解决将近红外单光子探测功能引入硅光子平台的挑战，此研究提出了InGaAs/InP SPADs阵列与硅光子芯片混合集成的解决方案。

该方案核心在于采用微米级对准的倒装焊接技术，实现光电一体化集成：研究基于绝缘体上硅(SOI)基板，设计了配合4×1 SPADs阵列结构的硅光子芯片模板。芯

片上设计的光栅耦合器可将硅芯片平面内波导传输的光信号耦合至平面外，精准照射到SPADs感光区域。

芯片上布置的电极用于SPADs的门控淬灭电路和信号读出。

通过倒装焊接技术，不仅实现了SPADs感光区与光栅耦合器的精确空间对准，还同时完成了SPADs阵列电极与硅光子芯片电极的电气连接。

这种混合集成方法证明了近红外SPADs集成到硅量子光子电路中的可行性，为构建更稳定、更具扩展性的实用量子光子系统奠定了技术基础。

5.实验过程与步骤

混合集成的关键工艺
图1展示了利用倒装焊接技术实现混合集成的关键工艺流程：

1.硅光子芯片制备：

硅光子芯片上的波导、分束器和耦合器首先通过电子束曝光(EBL)和感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀工艺加工。

2.保护层沉积：

为保护刻蚀后的硅器件结构，使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术，在器件上方沉积1 μm厚的二氧化硅保护层。

3.电极与焊球制备：

在二氧化硅保护层之上，利用电子束蒸发(EBE)工艺制作金电极。用于焊接的焊球随后植入到这些电极上。

4.对准与焊接：

通过硅芯片和SPADs阵列芯片上对应的标记，进行倒装对准，确保光栅耦合器与SPADs感光区域精确对齐。

电极焊接采用热超声键合技术完成。

5.封装与固定：使用折射率匹配的紫外光固化粘合剂填充硅光子芯片保护层与SPADs阵列芯片之间约30 μm的间隙。

图2提供了混合集成后芯片的显微照片，直观展示了硅光子芯片与SPADs阵列成功集成后的实物结构。

6.性能测试实验架构

图3展示了用于测试混合集成SPADs阵列性能的实验设置。测试流程包括：

1.光源与调制：连续波激光发出的光线首先经强度调制器(IM)调制，产生脉冲光。

2.驱动与偏压：任意波形发生器(AWG)驱动IM，并通过放大器为门控淬灭电路提供门控信号。

源测量单元(SMU)向SPADs阵列提供偏压电压，该电压设定在略低于击穿电压(BDV)的水平。

3.单光子级衰减：脉冲光通过可变光衰减器(VOA)衰减至单光子级别。

4.耦合与探测：衰减后的单光子信号输入到集成了SPADs阵列的硅芯片中，穿过芯片结构，最终由光栅耦合器耦合出硅芯片平面，照射到SPADs阵列感光区域。

5.信号读出：门控淬灭电路的读出信号被时间标记器记录，统计光子计数事件。

实验中，门控淬灭电路的门控信号频率设定为1 MHz，脉冲宽度为5 ns。

7.研究成果与器件性能分析

关键性能参数的量化
图4展示了集成SPADs阵列的性能，包含阵列中四个SPADs的片上PDE和归一化DCR随偏压电压变化的曲线。

（1）光子探测效率(PDE)

在单光子探测领域，光子探测效率是核心性能指标之一。本研究测量的是片上PDE。当施加偏压电压为73 V时，SPADs阵列实现了约1%的片上PDE。该结果是在0 ℃条件下，使用频率为1 MHz、宽度为5 ns的门控淬灭电路测得。

实验通过改变偏压电压获取不同电压下的性能。曲线(图4a-b)明确描绘了PDE随电压增加而增长的趋势，这符合雪崩光电二极管的操作特性——在越高电压下，增益越大，探测效率也越高。

（2）暗计数率(DCR)与击穿电压(BDV)
暗计数DCR是衡量单光子探测器噪声性能的重要指标。在PDE约为1%时，归一化DCR约为400 kHz。

实验设置中，SMU提供的偏压电压设定在略低于SPADs击穿电压的位置，表明操作点处于盖革模式临界点附近。

当偏压电压增加到高于73 V时，归一化DCR呈现指数级增长。这种指数增长是典型的热载流子产生或量子隧穿效应导致的失控增益现象，标志着性能劣化。因此，73 V被确定为维持最佳DCR/PDE平衡的工作点。

当前已表征的参数

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8.优化方向与未来展望

作者指出，为显著增强集成SPADs阵列的性能，需要进行进一步优化：

1.耦合器改进：当前使用的光栅耦合器至少有3 dB损耗，且出射光具有一定角度，影响了SPADs的光收集效率。需要替换为高效率、完美垂直发射且光斑尺寸更小的耦合器。

2.驱动电路优化：本次工作采用了简单电路来验证可行性。未来采用更精细的驱动电路将显著提升性能。

通过这些改进，未来预期可表征的关键参数包括后脉冲概率和时间抖动等，这将为系统在量子密钥分发、激光雷达和光谱传感等领域的实际应用提供更全面的性能评估。