01 【科學(xué)背景】

硅光子學(xué)是一項迅速發(fā)展的技術(shù)，有望徹底改變我們通信、計算和感知世界的方式。然而，缺乏高度可擴展的、原生互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)集成光源是阻礙其廣泛應(yīng)用的主要障礙之一。盡管在硅上集成 III-V 族光源方面取得了顯著進展，但通過直接外延 III-V 材料實現(xiàn)單片集成仍是成本效益較高的片上光源的頂峰。在今天的許多數(shù)據(jù)通信產(chǎn)品中，激光器是在其原生III-V基板上單獨制造和測試的，然后在微組裝激光封裝中混合集成在硅光子片上或通過高精度倒裝芯片集成。由于此類裝配過程的順序性和高精度要求，這些集成解決方案的制造吞吐量可能無法擴展以滿足未來產(chǎn)品的高密度、成本和體積目標(biāo)。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，目前各種混合和異質(zhì)III-V集成技術(shù)正在開發(fā)和商業(yè)化，例如微轉(zhuǎn)移印刷或異質(zhì)III-V集成，涉及直接在硅光子學(xué)晶圓上進行無圖案III-V層堆疊的晶圓鍵合，這種技術(shù)在過去幾年中已經(jīng)得到了徹底的發(fā)展，現(xiàn)在至少有兩條商業(yè)生產(chǎn)線。然而，這種技術(shù)在主流互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)代工廠的深度成本降低和廣泛采用，可能會受到芯片到晶圓鍵合的剩余需求和用于外延III-V生長的昂貴III-V供體襯底的阻礙，在制造過程中產(chǎn)生廢物，進一步引起對健康、安全和環(huán)境可持續(xù)性的擔(dān)憂。

由于這些原因，高質(zhì)量III-V材料的直接外延選擇性地在大尺寸硅光子片的所需位置仍然是一個非常受歡迎的目標(biāo)。但是，III-V材料和Si材料之間的晶格參數(shù)和熱膨脹系數(shù)的巨大不匹配不可避免地引發(fā)晶體不匹配缺陷的形成，會降低激光器的性能和可靠性。為了減少III-V層的缺陷，許多研究小組已經(jīng)成功地開發(fā)了厚緩沖層和應(yīng)變超晶格層。以砷化銦(InAs)量子點增益區(qū)為特征的砷化鎵(GaAs)基堆疊，在硅單片集成激光器的性能和可靠性方面取得了巨大進步，利用了量子點對殘余晶體缺陷的改進容限。然而，這些結(jié)果僅限于模級演示。由于熱致應(yīng)力引起的層裂和其他缺陷，在大直徑晶圓上難以實現(xiàn)厚的緩沖層。

通過金屬-有機氣相外延(MOVPE)在圖像化硅晶片上實現(xiàn)III-V材料的選擇性面積生長代表了一種引人注目的集成方法，可以說比分子束外延具有更好的可擴展性潛力。在氣相外延中可以很容易地實現(xiàn)選擇性，因此，III-V材料可以僅在需要的地方沉積。不匹配缺陷的限制是通過在硅晶片上的介電屏蔽層中蝕刻的深而窄的溝槽中開始III-V層的生長來實現(xiàn)的，這種技術(shù)稱為寬高比捕獲(ART)。目前，人們正在探索各種ART架構(gòu)，據(jù)報道，在不需要厚緩沖層的情況下，有效地減少了缺陷，從而減輕了晶圓翹曲和晶圓級沉積III-V層中裂紋形成的問題。近年來，比利時微電子研究中心imec提出了納米脊(NR)工程(NRE)的概念，這是一種基于選擇性面積增長的集成方法，應(yīng)用ART來減少缺陷，然后在溝槽外生長低缺陷的III-V級納米脊。通過仔細調(diào)整MOVPE工藝參數(shù)，可以精確地設(shè)計NR的尺寸，形狀和成分。優(yōu)化的NR結(jié)構(gòu)通常具有遠低于105 cm?2的螺紋位錯密度(TDD)，比優(yōu)化的毯子緩沖層低100倍。在此之前，他們成功地將NRE應(yīng)用于III-V材料體系(如GaAs、InAs、GaSb和InGaAs)中實現(xiàn)了各種異質(zhì)結(jié)構(gòu)、原位摻雜分布和表面鈍化層，從而實現(xiàn)了第一批器件演示，包括光泵浦激光器、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管和具有創(chuàng)紀(jì)錄低暗電流的晶片級GaAs-on- si光電探測器。

02 【創(chuàng)新成果】

針對以上問題，近日，比利時微電子研究中心(imec )Joris Van Campenhout，Bernardette Kunert，Charles Caer和 Didit Yudistira研究團隊在Nature上發(fā)表了題為“GaAs nano-ridge laser diodes fully fabricated in a 300-mm CMOS pilot line”的文章，報告了基于納米脊工程的新集成方法，在CMOS試生產(chǎn)線上，展示了在標(biāo)準(zhǔn)300毫米Si(001)晶圓上的全晶圓級生長和電泵浦砷化鎵(GaAs)基激光器的制造。嵌入p-i-n二極管和InGaAs量子阱的GaAs納米脊波導(dǎo)在晶圓尺度上高質(zhì)量生長。在晶圓上的300多個器件中進行了演示，室溫連續(xù)波激光的波長約為1020 nm，閾值電流低至5 mA，輸出功率超過1 mW，總發(fā)射光功率高達1.76 mW，激光線寬低至46 MHz，激光工作溫度高達55°C。此外，早期的可靠性測試顯示，在至少500小時的室溫工作期間，連續(xù)波激光器只有輕微的閾值電流增加和恒定的斜率效率。這些結(jié)果說明了III-V /Si納米脊工程概念在硅光子學(xué)平臺中集成激光二極管的潛力，使未來在光學(xué)傳感、互連等領(lǐng)域的成本敏感型大批量應(yīng)用成為可能。

03 【數(shù)據(jù)概覽】

圖1、片上GaAs NR激光器的晶圓級集成© 2025 Springer Nature

圖2、具有片上光電探測器的GaAs NR激光測試單元，用于片級表征© 2025 Springer Nature

圖3、單面切割GaAs NR激光器的模級測量© 2025 Springer Nature

圖4.蝕刻面GaAs NR激光器的片上測量© 2025 Springer Nature

圖5、蝕刻面GaAs NR激光器的全晶圓尺度測量© 2025 Springer Nature

04 【科學(xué)啟迪】

該項工作展示了在CMOS制造試線上完全在300毫米硅晶圓上集成單片III-V激光二極管，而不需要任何III-V襯底或粘合步驟。高質(zhì)量的有源砷化鎵波導(dǎo)是由MOVPE應(yīng)用NRE生長的，減輕了在硅外延生長的III-V層中通常遇到的與晶圓彎曲或裂紋形成相關(guān)的任何主要問題。盡管橫截面尺寸為亞微米級，但GaAs - Si NR結(jié)構(gòu)具有高效的載流子注入特性，并在1 μm波長處產(chǎn)生強大的光學(xué)增益，這得益于在Si上外延生長GaAs的創(chuàng)紀(jì)錄的低晶體缺陷和InGaP封蓋層的有效鈍化。這些特性有助于在室溫及以上條件下實現(xiàn)穩(wěn)健的連續(xù)波激光工作，如文中所示，閾值電流密度與傳統(tǒng)激光設(shè)計相當(dāng)，低于1 kA cm?2，連續(xù)波工作溫度可達55°C。在演示的NRLs中，光學(xué)多模敲打效應(yīng)減輕了頂部金屬觸點引起的部分光學(xué)損耗，這對于實現(xiàn)低閾值電流和高斜率效率同樣重要。此外，這種現(xiàn)象的波長依賴性，加上由蝕刻面形成的法布里-珀羅(FP)腔產(chǎn)生的多峰光譜，導(dǎo)致大多數(shù)激光設(shè)備的單模激光操作，其線寬與典型的垂直腔面發(fā)射激光器的線寬相當(dāng)或更小。

該項工作也給出了許多超越當(dāng)前示范的機會。首先，可以改進NR橫截面以使光學(xué)模式與金屬觸點解耦，從而在保持低光學(xué)損耗的同時實現(xiàn)更高密度的p觸點插頭。這將降低工作電壓，提高插頭效率，同時降低頂部金屬觸點的電流密度和電阻，從而提高可靠性。接下來，可以通過生長具有更高In-content的NRLs或使用InAs量子點作為增益材料，將工作波長擴展到O波段。最后，NRLs可以光學(xué)耦合到(非晶)硅波導(dǎo)上。將GaAs NRs與硅和氮化硅波導(dǎo)耦合將實現(xiàn)外腔二極管激光器，具有更好的激光波長控制和降低激光噪聲。這種GaAs-Si-SiN集成光電子平臺有望在光學(xué)互連、光學(xué)傳感等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)未來成本敏感型應(yīng)用。

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08364-2

本文由小藝供稿。