▲第一作者：Yannick De Koninck, Charles Caer, Didit Yudistira
通讯作者：Charles Caer，Didit Yudistira，Bernardette Kunert，Joris Van Campenhout
通讯单位：瑞士电子与微技术中心，比利时imec
DOI：10.1038/s41586-024-08364-2（点击文末「阅读原文」，直达链接）
硅光子学是一项迅速发展的技术，有望彻底改变人类的通信、计算和感知世界的方式。然而，缺乏高度可扩展的、原生互补金属氧化物半导体（CMOS）集成光源是阻碍其广泛应用的主要因素之一。尽管在将III-V族光源混合或异质集成到硅上已经取得了显著进展，但通过直接外延生长III-V族材料实现单片集成仍然是成本效益高的芯片级光源的终极目标。
本文报道了一种新的集成方法（纳米脊工程），其可在300毫米硅晶圆上制造电驱动砷化镓（GaAs）基激光二极管，这些激光二极管是在一条CMOS试点生产线中制造的。GaAs纳米脊波导嵌入了p-i-n二极管和InGaAs量子阱，并在晶圆尺度上高质量生长。在一个晶圆上的超过300个器件中，室温连续波激射被证明在约1020纳米波长范围内，阈值电流低至5毫安，输出功率超过1毫瓦，激光线宽低至46兆赫兹，且激光操作温度高达55摄氏度。这些结果表明，III-V/Si纳米脊工程概念在硅光子平台上单片集成激光二极管的潜力，为未来在光学传感、互连等领域的高容量、低成本应用提供了可能性。
图1| 在硅上集成GaAs NR激光器的晶圆级整合
1.利用晶圆级工艺，在标准的300毫米硅晶圆上制造了数千个GaAs纳米棒（NR）设备，包括激光器、光电探测器和测试结构，如图1a-c所示。每个GaAs NR结构通过纳米棒外延（NRE）形成，首先在n型掺杂的硅衬底中刻蚀出高纵横比的沟槽，并在其中生长n型掺杂的GaAs（图1c）。NRE技术使得可以在沟槽外形成完全松弛的盒状NR结构，并嵌入p–i–n异质结。增益区域由三个压应变（ε
=
−
0.014）的In
0.2
Ga
0.8
As量子阱组成，位于非刻意掺杂的GaAs层中（图1d），NR顶部覆盖一层与GaAs晶格匹配的InGaP钝化层。GaAs p–i–n二极管的n接触通过标准CMOS铜金属化和W插塞实现，这些插塞落在硅晶圆的n
++
型掺杂顶面上，并与n型GaAs外延层电连接。p接触通过第二排W插塞形成，穿透InGaP钝化层并落在p
+
型GaAs顶接触层。详细的制造过程在方法部分有报道。为了最小化负载效应并提高外延过程中的均匀性，NR结构以1微米的间距阵列生长（图1c）。
图2|带有晶圆上光电探测器的GaAs NR激光器测试单元，用于晶圆级表征
1.在晶圆级制造过程中，通过以12°的角度干蚀刻两个面，在GaAs纳米棒（NRs）中形成激光腔，从而得到大约5%的面反射率（图2a）。在激光腔的一侧，与NRLs相同的外延脊上形成了片上监测光电探测器，而另一侧则连接了一个较大的蚀刻区域，使得能够实现平面外的光发射。
2.实现NRs中激光作用的一个关键方面在于优化接触p-GaAs层的W插头间距。对于设计中W插头间距相对较大的情况（p
con35
=
4.8
µm），可以有效获得激光操作。在这些设计中，基模TE
00
和高阶模式TE
01
的模式拍频导致一个周期性的干涉图案，该图案最小化了W插头下方局部的光强度（图2c,d）。相反，在W插头间距紧密的情况下（p
con35
=
0.3
µm），由于来自W接触的强烈吸收，光场迅速衰减（图2e）。此外，从二维有限差分计算推断出的NR中的强光限制效应，导致三个量子阱与光模式之间的限制因子Γ高达8%，这对于补偿阈值时腔内总光损失至关重要。
图3| 单个解理面GaAs NR激光器的芯片级测量
1.首先，本文探究了芯片级测量，以明确展示在解理面GaAs纳米棒激光器（NRLs）中的激光操作。在第一次测量中，在室温下用连续波电流驱动NRL，并通过大面积光电探测器收集从解理面发出的激光输出。图3a展示了测量到的光输出功率和二极管电压随激光电流变化的函数关系，即一个腔长为1.16毫米的解理设备的L-I-V（长度、电流和电压）曲线图。L-I曲线显示了低至4.5毫安的阈值电流I
th
，以及在20毫安偏置电流下的单面输出功率高达0.7毫瓦。虚线代表通过求解激光速率方程获得的计算L-I响应。该模型准确预测了测量到的I
th
，并且与测量到的斜率效率相当吻合。V-I曲线显示了一个具有1.4伏开启电压的二极管特性。超过开启电压后，可以观察到非线性的V-I响应，这是由于与p-GaAs层相距较远的接触插塞存在非欧姆且相对较高的接触电阻。
2.为了深入了解NRLs的特性，本文测量了一个类似的、1.4毫米长的激光器，采用不同的测试配置（图2f），其中大面积光电探测器被连接到光谱分析仪的透镜单模光纤所取代。如图3b所示，记录了不同电流下的光谱，显示了在1,023纳米左右的单模激光发射，波长跨度为50纳米。同一光谱的放大图（图3c）显示了6毫安的I
th
，并且随着驱动电流的增加，激光波长红移至0.4纳米，没有任何模式跳跃。为了确认该设备确实是作为激光器运行，本文还使用自外差装置进行了线宽测量。根据图3d中描绘的测量射频拍音，本文推断出在15毫安的偏置电流（I
bias
=
2I
th
）下，线宽为46兆赫兹。最后，图3d中的插图显示了在此电流下的边模抑制比（SMSR）超过30分贝，确保射频拍音源自NRL的单一纵模。
1.接下来，本文探究了完全在晶圆尺度上制造的、带有两个蚀刻面的激光器。作为第一个例子，本文对一个具有2毫米长腔的NRL进行了探针测试，并使用一侧的片上NRPD和另一侧的MMF测量了光发射（图2b）。图4a中的I-I曲线显示I
th
=
7.5
mA，在I
=
17.5
mA时最大光电流为71.5
µA。考虑到测量到的光电二极管响应度为0.65
A W
−
1
和模拟的LD到PD耦合效率为12.5%，本文推断出总发射功率高达1.76
mW，并且有1.33%的壁插效率，这与激光模型非常吻合。
2.作为对NRLs可靠性的早期研究，本文对其中一个性能最佳的2毫米长激光器进行了片上应力测试。本文在室温下将激光器偏置在1.5I
th
，并监测输出功率、斜率效率和阈值电流（图4c）。虽然I
th
从6.1增加到7.3
mA，但退化趋势呈现减速，斜率效率基本保持恒定。在至少500小时的应力时间内，NRL仍然可以运行，超过了之前报道的直接生长在硅上的GaAs基量子阱激光器200小时的记录寿命。这个器件寿命仍然低于报告的量子点激光器的寿命，但目前的器件失效是由稀疏插头处的高电流密度引起的，而不是由穿晶位错的存在导致的。
1.为了评估NR激光器结果的可重复性，使用晶圆上的NRPD进行了全300毫米晶圆级测量。我们在整片晶圆上测量了三组不同长度的NRLs（图5a L
=
1毫米，图5b L
=
1.5毫米和图5c L
=
2毫米），收集了关于工艺变化性和激光器阈值、输出功率及斜率效率的长度依赖性的统计数据。从超过300个功能性NRLs中提取了性能指标，并显示在图5a–c中。之前对单个解理面NRL进行的校准用于估计激光器两个面的总辐射光功率。对于1毫米、1.5毫米和2毫米长的激光器，分别测得的平均I
th
值为5.9毫安、8.1毫安和9.3毫安（图5d）。平均斜率效率分别为8.3微安/毫安、6.1微安/毫安和4.9微安/毫安，或0.33瓦/安、0.22瓦/安和0.19瓦/安（图5e）。这些测量值与激光模型预测的值吻合良好。
本文展示了在300毫米硅晶圆上完全通过CMOS制造试点线实现的单片III-V族激光二极管集成，无需任何III-V族衬底或键合步骤。通过MOVPE应用NRE（纳米脊工程）技术生长高质量的活性GaAs波导，从而减轻了通常在硅上外延生长的III-V族层所面临的晶圆弯曲或裂纹形成等主要问题。尽管GaAs-Si NR结构的横截面尺寸为亚微米级，但由于在硅上外延生长的GaAs具有极低的晶体缺陷率和InGaP帽层的有效钝化作用，这些结构实现了高效的载流子注入并在1微米波长处产生强光增益。这些特性对于在室温及以上条件下实现稳健的连续波激光操作至关重要，本文展示了其阈值电流密度与传统激光器设计相当且低于1千安每平方厘米，并实现了高达55摄氏度的连续波操作。在所展示的纳米脊激光器（NRLs）中，光学多模拍频效应部分抵消了顶部金属接触引起的光学损耗，这对于实现低阈值电流和高斜率效率同样至关重要。此外，这一现象的波长依赖性，加上由刻蚀面形成的法布里-珀罗腔产生的多峰光谱，使得大多数激光设备实现了单模激光操作，其线宽与典型的垂直腔表面发射激光器相当或更小。
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08364-2
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