特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創丨米測MeLab
編輯丨風云
研究背景
硅光子學是一項快速發展的技術，使光學系統的小型化和大規模生產成為可能，適用于越來越多的應用，有望徹底改變我們與世界進行交流、計算和感知的方式。
關鍵問題
然而，硅光子學的發展主要存在以下問題：
1、硅光子學的發展存在成本和制造效率的限制
缺乏高度可擴展的原生互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 集成光源是阻礙硅光子學廣泛應用的主要因素之一。
2、晶片級集成存在材料兼容性和缺陷問題
盡管在硅上混合和異質集成 III–V 族光源方面取得了長足的進步，但III-V族和Si材料之間晶格參數和熱膨脹系數的巨大不匹配會導致晶體失配缺陷的形成，在大直徑晶圓上實現厚緩沖層仍然存在挑戰。
新思路
有鑒于此，比利時魯汶IMEC的Charles Caer、Didit Yudistira、Bernardette Kunert及Joris Van Campenhout等人報告了基于新集成方法納米脊工程的CMOS試驗生產線上完全在300毫米Si晶圓上制造的電驅動砷化鎵 (GaAs) 基激光二極管。在晶圓級上高質量生長了嵌入p–i–n二極管和 InGaAs量子阱的GaAs納米脊波導。在晶圓上的300多個器件中，室溫連續波激光在波長約1,020 nm處得到演示，閾值電流低至5 mA，輸出功率超過 1 mW，激光線寬低至46 MHz，激光工作溫度高達55°C。這些結果說明了III-V/Si納米脊工程概念在Si光子平臺中單片集成激光二極管方面的潛力，從而實現未來在光學傳感、互連等領域對成本敏感的大批量應用。
技術方案：
1、闡述了激光器結構與制造過程
作者在300毫米硅晶圓上制造GaAs NR器件，采用NRE技術形成p-i-n異質結和量子阱，實現高效激光操作，通過電探針和光纖探針進行性能分析。
2、在芯片級測量中，展示了GaAs NRL的激光操作
GaAs NRL在室溫下實現激光操作，閾值電流4.5 mA，輸出功率0.7 mW，單模發射波長約1023 nm，線寬46 MHz，邊模抑制比超30 dB。
3、驗證了晶圓級激光結果
測試結果表明，全晶圓級GaAs NRL表現出色，室溫下單模激光發射，閾值低，效率高，穩定性好，溫度可至55°C。
技術優勢：
1、實現了全晶圓級電泵浦GaAs基激光器的制造
作者利用納米脊工程（NRE）概念，在標準300毫米硅晶圓上實現了全晶圓級電泵浦GaAs基激光器的生長和制造，這一過程完全在CMOS試驗生產線上進行，利用了GaAs NR結構的低缺陷率，實現了高效率和高性能的激光器集成。
2、設計并實現了高性能NR激光器 (NRL)
作者設計了NR激光器，不僅提高了激光器的性能，還實現了在室溫下超過300個NRL的連續波激光發射，具有低閾值電流、高斜率效率和較高的總發射光功率，同時在至少500小時的連續運行中保持了良好的可靠性。
技術細節
激光器結構與制造
作者在標準的300毫米硅晶圓上，通過晶圓級工藝制造了數千個GaAs納米脊（NR）器件，包括激光器、光電探測器和測試結構。這些GaAs NR結構由納米脊工程（NRE）形成，溝槽外部嵌入p-i-n異質結，增益區由In0.2Ga0.8As量子阱組成，并被InGaP層覆蓋。GaAs p-i-n二極管的n觸點和p觸點分別由CMOS Cu金屬化和W插頭形成。通過干蝕刻形成激光腔，優化W插頭間距實現高效激光操作。晶圓級器件特性分析通過電探針偏置NRL和NRPD，使用多模光纖光學探針收集激光發射進行功率和光譜分析。或者，切割面形成反射鏡，使用邊緣耦合透鏡單模光纖更有效地收集激光發射，以分析芯片級激光性能。
圖 GaAs NR激光器在Si上的晶圓級集成
圖 配備晶圓光電探測器的GaAs NR激光測試單元，用于晶圓級表征
芯片級激光結果
在芯片級測量中，作者展示了GaAs NRL的激光操作。在室溫下，通過連續波電流驅動NRL，并用大面積光電探測器收集切面的激光輸出。L-I-V圖顯示閾值電流低至4.5 mA，偏置電流20 mA時單面輸出功率達0.7 mW。模型預測的閾值電流與測量值一致，斜率效率合理。V-I曲線顯示二極管特性，開啟電壓為1.4 V。光譜測量顯示在1023 nm處的單模激光發射，閾值電流為6 mA，激光波長隨電流增加而紅移，無模式跳躍。線寬測量和邊模抑制比（SMSR）超過30 dB，確認設備以單個縱向模式運行。
圖 單個解理面GaAs NR激光器的芯片級測量
晶圓級激光結果
全晶圓級制造的GaAs NRL展示了優異的性能和可靠性。在晶圓上，2毫米長腔體的NRL在室溫下通過連續波電流驅動，閾值電流為7.5 mA，最大光電流達到71.5 μA。結合光電二極管響應度和模擬的LD到PD耦合效率，推斷總發射功率高達1.76 mW，電光轉換效率為1.33%。進行了500小時的應力測試，閾值電流從6.1 mA增加到7.3 mA，斜率效率基本保持不變，顯示出良好的穩定性，超過了之前報道的直接在硅上生長的GaAs基量子阱激光器200小時的記錄壽命。溫度依賴性測試顯示，在高達55°C的溫度下，NRL保持單模操作，閾值電流隨溫度升高而增加。晶圓級測量顯示，不同長度的NRL具有不同的閾值電流、斜率效率和輸出功率，這些差異可能源于晶圓級工藝的變化，這些工藝尚未針對均勻性進行優化。通過對300毫米晶圓上的三組不同長度的NRL進行測量，收集了有關激光閾值、輸出功率和斜率效率的工藝變化和長度依賴性的統計數據，提取了300多個功能性NRL的性能指標。這些測量值與使用激光模型預測的值非常吻合，驗證了NRL的高性能和可重復性。
圖 蝕刻面GaAs NR激光器的晶圓上測量
圖 蝕刻面GaAs NR激光器的全晶圓級測量
展望
總之，這項研究在300毫米硅晶圓上實現了無需III-V襯底或鍵合步驟的單片III-V激光二極管集成。通過NRE技術，利用MOVPE生長出高質量的GaAs波導，解決了硅上外延生長的III-V層中常見的晶圓彎曲和裂紋問題。GaAs-Si NR結構具有高效的載流子注入能力和強大的光增益，實現了室溫下的穩定連續波激光操作。此外，研究還展示了NRL的長期可靠性，預計由于低穿透位錯密度，許多激光器不會出現位錯，為實現較長的可靠性壽命提供了積極前景。這項工作為未來光學互連和光學傳感等領域的成本敏感型應用提供了新的可能性。
參考文獻：
De Koninck, Y., Caer, C., Yudistira, D. et al. GaAs nano-ridge laser diodes fully fabricated in a 300-mm CMOS pilot line. Nature 637, 63–69 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08364-2
