01 【科学背景】
硅光子学是一项迅速发展的技术，有望彻底改变我们通信、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障碍之一。尽管在硅上集成 III-V 族光源方面取得了显著进展，但通过直接外延 III-V 材料实现单片集成仍是成本效益较高的片上光源的顶峰。在今天的许多数据通信产品中，激光器是在其原生III-V基板上单独制造和测试的，然后在微组装激光封装中混合集成在硅光子片上或通过高精度倒装芯片集成。由于此类装配过程的顺序性和高精度要求，这些集成解决方案的制造吞吐量可能无法扩展以满足未来产品的高密度、成本和体积目标。为了应对这些挑战，目前各种混合和异质III-V集成技术正在开发和商业化，例如微转移印刷或异质III-V集成，涉及直接在硅光子学晶圆上进行无图案III-V层堆叠的晶圆键合，这种技术在过去几年中已经得到了彻底的发展，现在至少有两条商业生产线。然而，这种技术在主流互补金属氧化物半导体(CMOS)代工厂的深度成本降低和广泛采用，可能会受到芯片到晶圆键合的剩余需求和用于外延III-V生长的昂贵III-V供体衬底的阻碍，在制造过程中产生废物，进一步引起对健康、安全和环境可持续性的担忧。
由于这些原因，高质量III-V材料的直接外延选择性地在大尺寸硅光子片的所需位置仍然是一个非常受欢迎的目标。但是，III-V材料和Si材料之间的晶格参数和热膨胀系数的巨大不匹配不可避免地引发晶体不匹配缺陷的形成，会降低激光器的性能和可靠性。为了减少III-V层的缺陷，许多研究小组已经成功地开发了厚缓冲层和应变超晶格层。以砷化铟(InAs)量子点增益区为特征的砷化镓(GaAs)基堆叠，在硅单片集成激光器的性能和可靠性方面取得了巨大进步，利用了量子点对残余晶体缺陷的改进容限。然而，这些结果仅限于模级演示。由于热致应力引起的层裂和其他缺陷，在大直径晶圆上难以实现厚的缓冲层。
通过金属-有机气相外延(MOVPE)在图像化硅晶片上实现III-V材料的选择性面积生长代表了一种引人注目的集成方法，可以说比分子束外延具有更好的可扩展性潜力。在气相外延中可以很容易地实现选择性，因此，III-V材料可以仅在需要的地方沉积。不匹配缺陷的限制是通过在硅晶片上的介电屏蔽层中蚀刻的深而窄的沟槽中开始II
声明：
“2025首期Nature：硅基半导体新技术！” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色网
来源：比利时微电子研究中心
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2025年05月23日 ~ 25日 
