當(dāng)?shù)貢r(shí)間1月9日，比利時(shí)微電子研究中心（Imec）宣布了硅光子學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要里程碑，在其CMOS試點(diǎn)原型生產(chǎn)線上成功演示了基于GaAs的電驅(qū)動(dòng)多量子阱納米脊激光二極管，該二極管在300毫米硅片上完全單片制造。

在近日的《自然》雜志上詳細(xì)介紹的結(jié)果中，實(shí)現(xiàn)了閾值電流低至5mA、輸出功率超過1mW的室溫連續(xù)波激光發(fā)射，證明了在硅上直接外延生長高質(zhì)量III-V材料的潛力。這一突破為開發(fā)經(jīng)濟(jì)高效、高性能的光學(xué)設(shè)備提供了一條途徑，用于數(shù)據(jù)通信、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能應(yīng)用。

缺乏高度可擴(kuò)展的原生 CMOS 集成光源一直是廣泛采用硅光子學(xué)的主要障礙。混合或異構(gòu)集成解決方案，如倒裝芯片、微轉(zhuǎn)移印刷或晶粒到晶圓鍵合，涉及復(fù)雜的鍵合工藝或需要昂貴的 III-V 族基板，這些基板通常在加工后被丟棄。這不僅增加了成本，還引發(fā)了對(duì)可持續(xù)性和資源效率的擔(dān)憂。因此，高質(zhì)量 III-V 族光增益材料在大尺寸硅光子學(xué)晶片上選擇性地直接外延生長仍然是一個(gè)備受追捧的目標(biāo)。

III-V 和 Si 材料之間晶格參數(shù)和熱膨脹系數(shù)的巨大不匹配不可避免地引發(fā)了晶體失配缺陷的形成，眾所周知，這些缺陷會(huì)降低激光器的性能和可靠性。選擇性面積增長 （SAG） 與縱橫比捕獲 （ART） 相結(jié)合，通過將失配位錯(cuò)限制在介電掩模蝕刻的狹窄溝槽內(nèi)，顯著減少了集成在硅上的 III-V 材料的缺陷。

“在過去的幾年里，imec 開創(chuàng)了納米脊工程，這是一種建立在 SAG 和 ART 基礎(chǔ)上的技術(shù)，可在溝槽外生長低缺陷率的 III-V 納米脊。這種方法不僅可以進(jìn)一步減少缺陷，還可以精確控制材料尺寸和成分。我們優(yōu)化的納米脊結(jié)構(gòu)通常具有遠(yuǎn)低于 105 cm2 的螺紋位錯(cuò)密度?，F(xiàn)在，imec 利用 III-V 納米脊工程概念，完全在 CMOS 試驗(yàn)生產(chǎn)線上展示了在標(biāo)準(zhǔn) 300 mm 硅片上首次全晶圓級(jí)制造電泵浦 GaAs 激光器。”imec 科學(xué)總監(jiān) Bernardette Kunert 說。

利用低缺陷率的 GaAs 納米脊結(jié)構(gòu)，激光器將 InGaAs 多個(gè)量子阱 （MQW） 集成為光增益區(qū)域，嵌入原位摻雜 p-i-n 二極管中，并使用 InGaP 封帽層鈍化。通過電注入實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)波操作是一項(xiàng)重大進(jìn)步，克服了電流傳輸和接口工程方面的挑戰(zhàn)。這些器件在 ~1020 nm 處顯示激光，閾值電流低至 5mA，斜率效率高達(dá) 0.5 W/A，光功率達(dá)到 1.75 mW，展示了高性能硅集成光源的可擴(kuò)展路徑。

“在大直徑硅片上經(jīng)濟(jì)高效地集成高質(zhì)量的 III-V 增益材料是下一代硅光子學(xué)應(yīng)用的關(guān)鍵推動(dòng)因素。這些令人興奮的納米脊激光結(jié)果代表了使用直接外延生長進(jìn)行整體 III-V 集成的一個(gè)重要里程碑。該項(xiàng)目是 imec 更大的探路任務(wù)的一部分，旨在推進(jìn) III-V 集成工藝，使其為更高的技術(shù)準(zhǔn)備做好準(zhǔn)備，從短期內(nèi)的倒裝芯片和轉(zhuǎn)移印刷混合技術(shù)，到異構(gòu)晶圓和芯片鍵合技術(shù)，并最終在長期內(nèi)直接外延增長?！惫韫庾訉W(xué)研究員兼光學(xué) I/O 行業(yè)聯(lián)盟研發(fā)計(jì)劃主任 Joris Van Campenhout 說。