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原创丨米测MeLab
编辑丨风云
研究背景
硅光子学是一项快速发展的技术，使光学系统的小型化和大规模生产成为可能，适用于越来越多的应用，有望彻底改变我们与世界进行交流、计算和感知的方式。
关键问题
然而，硅光子学的发展主要存在以下问题：
1、硅光子学的发展存在成本和制造效率的限制
缺乏高度可扩展的原生互补金属氧化物半导体 (CMOS) 集成光源是阻碍硅光子学广泛应用的主要因素之一。
2、晶片级集成存在材料兼容性和缺陷问题
尽管在硅上混合和异质集成 III–V 族光源方面取得了长足的进步，但III-V族和Si材料之间晶格参数和热膨胀系数的巨大不匹配会导致晶体失配缺陷的形成，在大直径晶圆上实现厚缓冲层仍然存在挑战。
新思路
有鉴于此，比利时鲁汶IMEC的Charles Caer、Didit Yudistira、Bernardette Kunert及Joris Van Campenhout等人报告了基于新集成方法纳米脊工程的CMOS试验生产线上完全在300毫米Si晶圆上制造的电驱动砷化镓 (GaAs) 基激光二极管。在晶圆级上高质量生长了嵌入p–i–n二极管和 InGaAs量子阱的GaAs纳米脊波导。在晶圆上的300多个器件中，室温连续波激光在波长约1,020 nm处得到演示，阈值电流低至5 mA，输出功率超过 1 mW，激光线宽低至46 MHz，激光工作温度高达55°C。这些结果说明了III-V/Si纳米脊工程概念在Si光子平台中单片集成激光二极管方面的潜力，从而实现未来在光学传感、互连等领域对成本敏感的大批量应用。
技术方案：
1、阐述了激光器结构与制造过程
作者在300毫米硅晶圆上制造GaAs NR器件，采用NRE技术形成p-i-n异质结和量子阱，实现高效激光操作，通过电探针和光纤探针进行性能分析。
2、在芯片级测量中，展示了GaAs NRL的激光操作
GaAs NRL在室温下实现激光操作，阈值电流4.5 mA，输出功率0.7 mW，单模发射波长约1023 nm，线宽46 MHz，边模抑制比超30 dB。
3、验证了晶圆级激光结果
测试结果表明，全晶圆级GaAs NRL表现出色，室温下单模激光发射，阈值低，效率高，稳定性好，温度可至55°C。
技术优势：
1、实现了全晶圆级电泵浦GaAs基激光器的制造
作者利用纳米脊工程（NRE）概念，在标准300毫米硅晶圆上实现了全晶圆级电泵浦GaAs基激光器的生长和制造，这一过程完全在CMOS试验生产线上进行，利用了GaAs NR结构的低缺陷率，实现了高效率和高性能的激光器集成。
2、设计并实现了高性能NR激光器 (NRL)
作者设计了NR激光器，不仅提高了激光器的性能，还实现了在室温下超过300个NRL的连续波激光发射，具有低阈值电流、高斜率效率和较高的总发射光功率，同时在至少500小时的连续运行中保持了良好的可靠性。
技术细节
激光器结构与制造
作者在标准的300毫米硅晶圆上，通过晶圆级工艺制造了数千个GaAs纳米脊（NR）器件，包括激光器、光电探测器和测试结构。这些GaAs NR结构由纳米脊工程（NRE）形成，沟槽外部嵌入p-i-n异质结，增益区由In0.2Ga0.8As量子阱组成，并被InGaP层覆盖。GaAs p-i-n二极管的n触点和p触点分别由CMOS Cu金属化和W插头形成。通过干蚀刻形成激光腔，优化W插头间距实现高效激光操作。晶圆级器件特性分析通过电探针偏置NRL和NRPD，使用多模光纤光学探针收集激光发射进行功率和光谱分析。或者，切割面形成反射镜，使用边缘耦合透镜单模光纤更有效地收集激光发射，以分析芯片级激光性能。
图 GaAs NR激光器在Si上的晶圆级集成
图 配备晶圆光电探测器的GaAs NR激光测试单元，用于晶圆级表征
芯片级激光结果
在芯片级测量中，作者展示了GaAs NRL的激光操作。在室温下，通过连续波电流驱动NRL，并用大面积光电探测器收集切面的激光输出。L-I-V图显示阈值电流低至4.5 mA，偏置电流20 mA时单面输出功率达0.7 mW。模型预测的阈值电流与测量值一致，斜率效率合理。V-I曲线显示二极管特性，开启电压为1.4 V。光谱测量显示在1023 nm处的单模激光发射，阈值电流为6 mA，激光波长随电流增加而红移，无模式跳跃。线宽测量和边模抑制比（SMSR）超过30 dB，确认设备以单个纵向模式运行。
图 单个解理面GaAs NR激光器的芯片级测量
晶圆级激光结果
全晶圆级制造的GaAs NRL展示了优异的性能和可靠性。在晶圆上，2毫米长腔体的NRL在室温下通过连续波电流驱动，阈值电流为7.5 mA，最大光电流达到71.5 µA。结合光电二极管响应度和模拟的LD到PD耦合效率，推断总发射功率高达1.76 mW，电光转换效率为1.33%。进行了500小时的应力测试，阈值电流从6.1 mA增加到7.3 mA，斜率效率基本保持不变，显示出良好的稳定性，超过了之前报道的直接在硅上生长的GaAs基量子阱激光器200小时的记录寿命。温度依赖性测试显示，在高达55°C的温度下，NRL保持单模操作，阈值电流随温度升高而增加。晶圆级测量显示，不同长度的NRL具有不同的阈值电流、斜率效率和输出功率，这些差异可能源于晶圆级工艺的变化，这些工艺尚未针对均匀性进行优化。通过对300毫米晶圆上的三组不同长度的NRL进行测量，收集了有关激光阈值、输出功率和斜率效率的工艺变化和长度依赖性的统计数据，提取了300多个功能性NRL的性能指标。这些测量值与使用激光模型预测的值非常吻合，验证了NRL的高性能和可重复性。
图 蚀刻面GaAs NR激光器的晶圆上测量
图 蚀刻面GaAs NR激光器的全晶圆级测量
展望
总之，这项研究在300毫米硅晶圆上实现了无需III-V衬底或键合步骤的单片III-V激光二极管集成。通过NRE技术，利用MOVPE生长出高质量的GaAs波导，解决了硅上外延生长的III-V层中常见的晶圆弯曲和裂纹问题。GaAs-Si NR结构具有高效的载流子注入能力和强大的光增益，实现了室温下的稳定连续波激光操作。此外，研究还展示了NRL的长期可靠性，预计由于低穿透位错密度，许多激光器不会出现位错，为实现较长的可靠性寿命提供了积极前景。这项工作为未来光学互连和光学传感等领域的成本敏感型应用提供了新的可能性。
参考文献：
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
