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半导体器件，登顶Nature！

微算云平台 · 公众号 · · 2025-01-23 07:47

正文

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研究背景

硅光子学是基于硅材料进行光学信号处理和传输的技术，因其在通信、计算和传感等领域的广泛应用前景而受到广泛关注。与传统的光电材料相比，硅光子学具有高集成度、低成本和与现有CMOS技术兼容等显著优点，因此，硅光子学在数据通信、传感器、人工智能以及高效光互联等领域展现出巨大的应用潜力。然而，硅光子学在实现高效光源方面仍面临挑战，特别是缺乏大规模、低成本、与CMOS集成的相干光源。当前，III–V半导体材料与硅的混合集成技术已取得一定进展，但要实现低成本、高效、单片集成的光源仍然是这一技术发展的瓶颈。

成果简介

为了解决这一问题， 比利时IMEC的Charles Caer、Didit Yudistira、Bernardette Kunert及Joris Van Campenhout等人 合作在Nature期刊上发表了题为“GaAs nano-ridge laser diodes fully fabricated in a 300-mm CMOS pilot line”的最新论文。

该团队采用了纳米脊工程（Nano-Ridge Engineering, NRE）技术，成功实现了在标准300毫米硅（001）晶圆上全晶圆级外延生长并制造了电驱动的GaAs基激光二极管。通过这一新型集成方法，GaAs纳米脊波导被高质量地生长在硅晶圆上，纳米脊中嵌入了p–i–n二极管和InGaAs量子阱。

研究人员成功演示了室温下连续波激光的输出，波长约为1,020纳米，阈值电流低至5毫安，输出功率超过1毫瓦，激光线宽达到46兆赫兹，并且激光器在高达55°C的温度下仍能稳定工作。与传统的混合集成方法相比，NRE技术通过在硅晶圆上实现选择性区域生长，大幅降低了缺陷密度，从而显著提高了激光二极管的性能和可靠性。

研究亮点

1. 实验首次实现采用纳米脊工程（NRE）方法在300毫米硅晶圆上实现了电驱动的砷化镓（GaAs）激光二极管的单片集成。 这种创新的集成方法通过在硅光子学平台上生长GaAs纳米脊波导、嵌入式p–i–n二极管和InGaAs量子阱，首次实现了硅光子学与III–V材料的高质量结合。

2. 实验通过纳米脊工程（NRE）集成，成功在晶圆级上生长了高质量的GaAs纳米脊波导，并嵌入了p–i–n二极管结构和InGaAs量子阱。结果表明，超过300个器件在室温下实现了1,020纳米波长的连续波激光输出，且阈值电流低至5毫安，输出功率超过1毫瓦，激光线宽达到46兆赫兹，激光器能够在高达55°C的温度下稳定工作。

3. 实验通过高质量生长III–V材料。研究者在300毫米硅晶圆上成功实现了III–V材料的选择性外延生长，避免了传统外延技术中的缺陷积累问题。通过精确控制MOVPE工艺参数，研究团队成功降低了III–V层的缺陷密度，显著提升了激光器的性能和可靠性。

图文解读

图1 片上GaAs NR激光器的晶圆级集成

图2 1的亚稳态超分子聚合研究图2、具有片上光电探测器的GaAs NR激光测试单元，用于片级表征

图3 单面切割GaAs NR激光器的模级测量

图4 蚀刻面GaAs NR激光器的片上测量

图5 蚀刻面GaAs NR激光器的全晶圆尺度测量

结论展望

本文的研究成果，也就是纳米脊工程（NRE）方法有效解决了III–V材料与硅基底之间的晶格匹配和热膨胀系数差异问题，成功地在硅上生长出高质量的GaAs纳米脊结构，显著降低了晶体缺陷，从而实现了低阈值电流和高输出功率的GaAs基激光二极管。这一创新不仅为硅光子学中的集成光源提供了低成本、高效的解决方案，也为未来的大规模生产提供了可行的技术路径。

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