當地時間1月9日，比利時微電子研究中心（Imec）宣布了硅光子學領域的一個重要里程碑，在其CMOS試點原型生產線上成功演示了基于GaAs的電驅動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》雜志上詳細介紹的結果中，實現了閾值電流低至5mA、輸出功率超過1mW的室溫連續波激光發射，證明了在硅上直接外延生長高質量III-V材料的潛力。這一突破為開發經濟高效、高性能的光學設備提供了一條途徑，用于數據通信、機器學習和人工智能應用。

缺乏高度可擴展的原生 CMOS 集成光源一直是廣泛采用硅光子學的主要障礙。混合或異構集成解決方案，如倒裝芯片、微轉移印刷或晶粒到晶圓鍵合，涉及復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，還引發了對可持續性和資源效率的擔憂。因此，高質量 III-V 族光增益材料在大尺寸硅光子學晶片上選擇性地直接外延生長仍然是一個備受追捧的目標。

III-V 和 Si 材料之間晶格參數和熱膨脹系數的巨大不匹配不可避免地引發了晶體失配缺陷的形成，眾所周知，這些缺陷會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） 相結合，通過將失配位錯限制在介電掩模蝕刻的狹窄溝槽內，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 開創了納米脊工程，這是一種建立在 SAG 和 ART 基礎上的技術，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一步減少缺陷，還可以精確控制材料尺寸和成分。我們優化的納米脊結構通常具有遠低于 105 cm2 的螺紋位錯密度。現在，imec 利用 III-V 納米脊工程概念，完全在 CMOS 試驗生產線上展示了在標準 300 mm 硅片上首次全晶圓級制造電泵浦 GaAs 激光器。”imec 科學總監 Bernardette Kunert 說。

利用低缺陷率的 GaAs 納米脊結構，激光器將 InGaAs 多個量子阱 （MQW） 集成為光增益區域，嵌入原位摻雜 p-i-n 二極管中，并使用 InGaP 封帽層鈍化。通過電注入實現室溫連續波操作是一項重大進步，克服了電流傳輸和接口工程方面的挑戰。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 0.5 W/A，光功率達到 1.75 mW，展示了高性能硅集成光源的可擴展路徑。

“在大直徑硅片上經濟高效地集成高質量的 III-V 增益材料是下一代硅光子學應用的關鍵推動因素。這些令人興奮的納米脊激光結果代表了使用直接外延生長進行整體 III-V 集成的一個重要里程碑。該項目是 imec 更大的探路任務的一部分，旨在推進 III-V 集成工藝，使其為更高的技術準備做好準備，從短期內的倒裝芯片和轉移印刷混合技術，到異構晶圓和芯片鍵合技術，并最終在長期內直接外延增長。”硅光子學研究員兼光學 I/O 行業聯盟研發計劃主任 Joris Van Campenhout 說。