2025首期Nature：硅基半导体新技术！

291 编辑：中冶有色技术网来源：比利时微电子研究中心

2025-01-03 14:43:31

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III-V层的生长来实现的，这种技术称为宽高比捕获(ART)。目前，人们正在探索各种ART架构，据报道，在不需要厚缓冲层的情况下，有效地减少了缺陷，从而减轻了晶圆翘曲和晶圆级沉积III-V层中裂纹形成的问题。近年来，比利时微电子研究中心imec提出了纳米脊(NR)工程(NRE)的概念，这是一种基于选择性面积增长的集成方法，应用ART来减少缺陷，然后在沟槽外生长低缺陷的III-V级纳米脊。通过仔细调整MOVPE工艺参数，可以精确地设计NR的尺寸，形状和成分。优化的NR结构通常具有远低于105 cm−2的螺纹位错密度(TDD)，比优化的毯子缓冲层低100倍。在此之前，他们成功地将NRE应用于III-V材料体系(如GaAs、InAs、GaSb和InGaAs)中实现了各种异质结构、原位掺杂分布和表面钝化层，从而实现了第一批器件演示，包括光泵浦激光器、异质结双极晶体管和具有创纪录低暗电流的晶片级GaAs-on- si光电探测器。

02 【创新成果】

针对以上问题，近日，比利时微电子研究中心(imec )Joris Van Campenhout，Bernardette Kunert，Charles Caer和 Didit Yudistira研究团队在Nature上发表了题为“GaAs nano-ridge laser diodes fully fabricated in a 300-mm CMOS pilot line”的文章，报告了基于纳米脊工程的新集成方法，在CMOS试生产线上，展示了在标准300毫米Si(001)晶圆上的全晶圆级生长和电泵浦砷化镓(GaAs)基激光器的制造。嵌入p-i-n二极管和InGaAs量子阱的GaAs纳米脊波导在晶圆尺度上高质量生长。在晶圆上的300多个器件中进行了演示，室温连续波激光的波长约为1020 nm，阈值电流低至5 mA，输出功率超过1 mW，总发射光功率高达1.76 mW，激光线宽低至46 MHz，激光工作温度高达55°C。此外，早期的可靠性测试显示，在至少500小时的室温工作期间，连续波激光器只有轻微的阈值电流增加和恒定的斜率效率。这些结果说明了III-V /Si纳米脊工程概念在硅光子学平台中集成激光二极管的潜力，使未来在光学传感、互连等领域的成本敏感型大批量应用成为可能。

03 【数据概览】

04 【科学启迪】

该项工作展示了在CMOS制造试线上完全在300毫米硅晶圆上集成单片III-V激光二极管，而不需要任何III-V衬底或粘合步骤。高质量的有源砷化镓波导是由MOVPE应用NRE生长的，减轻了在硅外延生长的III-V层中通常遇到的与晶圆弯曲或裂纹形成相关的任何主要问题。尽管横截面尺寸为亚微米级，但GaAs - Si NR结构具有高效的载流子注入特性，并在1 μm波长处产生强大的光学增益，这得益于在Si上外延生长GaAs的创纪录的低晶体缺陷和InGaP封盖层的有效钝化。这些特性有助于在室温及以上条件下实现稳健的连续波激光工作，如文中所示，阈值电流密度与传统激光设计相当，低于1 kA cm−2，连续波工作温度可达55°C。在演示的NRLs中，光学多模敲打效应减轻了顶部金属触点引起的部分光学损耗，这对于实现低阈值电流和高斜率效率同样重要。此外，这种现象的波长依赖性，加上由蚀刻面形成的法布里-珀罗(FP)腔产生的多峰光谱，导致大多数激光设备的单模激光操作，其线宽与典型的垂直腔面发射激光器的线宽相当或更小。

该项工作也给出了许多超越当前示范的机会。首先，可以改进NR横截面以使光学模式与金属触点解耦，从而在保持低光学损耗的同时实现更高密度的p触点插头。这将降低工作电压，提高插头效率，同时降低顶部金属触点的电流密度和电阻，从而提高可靠性。接下来，可以通过生长具有更高In-content的NRLs或使用InAs量子点作为增益材料，将工作波长扩展到O波段。最后，NRLs可以光学耦合到(非晶)硅波导上。将GaAs NRs与硅和氮化硅波导耦合将实现外腔二极管激光器，具有更好的激光波长控制和降低激光噪声。这种GaAs-Si-SiN集成光电子平台有望在光学互连、光学传感等领域实现未来成本敏感型应用。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08364-2

本文由小艺供稿。

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