光波通信通过光脉冲在日益增多的数据中心之间传输信息，是互联网的基石。随着对数据要求极高的机器学习和人工智能系统应用范围的不断扩大，这些数据中心的能源消耗也在迅速增加。为了解决这一问题，光管理技术应运而生，即在硅晶片上制造光子芯片。激光光源是这些芯片的关键组件，但迄今为止，这些激光器都是在芯片其他部分制造完成后，通过独立的步骤进行安装，这使得未来光子芯片的大规模生产变得更加复杂。De Koninck 等人以“Direct fabrication of lasers on silicon suggests solution to chip-production problem”为题在Nature上报道了一种在标准硅晶片上制造激光器的方法，该方法与现有的芯片制造工艺和系统兼容，有效解决了光子芯片制造中缺乏有效激光光源的问题。
在光子芯片中使用的激光器由一种名为砷化镓（GaAs）的半导体材料制成。砷化镓属于III-V族化合物，自1962年半导体激光器问世以来一直备受关注。长期以来，研究人员一直致力于在硅晶片上沉积III-V族化合物，以制造片上激光器。然而，III-V族化合物的原子间距和热膨胀特性与硅存在显著差异，导致在沉积的III-V化合物中形成多种缺陷，破坏其发光性能，并引发硅晶片的弯曲和开裂。
在寻找解决这一问题的过程中，研究人员发现了一个重要线索：当砷化镓沉积在介电（绝缘）材料的深窄沟槽底部的硅片上时，所产生的缺陷会被截留并失去活性。为了利用这一发现，De Koninck 等人在二氧化硅（电介质）中制备了宽120 nm、深300 nm、长度达mm级的沟槽，使硅在沟槽底部裸露。研究表明，源自硅与沉积砷化镓界面的缺陷会向沟槽边缘扩散并最终终止，从而在沟槽高度以上生长出无缺陷的砷化镓结构。
值得注意的是，作者采用的砷化镓沉积技术已被广泛应用于半导体激光晶片的大规模生产，并且适用于这些设备的工业化制造。此外，激光材料的生长仅限于特定位置（沟槽）进行，而非覆盖整个晶片直径，这进一步简化了制造工艺。
填满沟槽后，研究人员控制砷化镓的进一步生长，形成分层脊，用作激光二极管—片上激光设备。如图1所示，De Koninck 等人将半导体砷化镓直接沉积在硅晶片上，并在绝缘材料二氧化硅中形成沟槽。沉积材料中的任何缺陷都会被困在沟槽中，而几乎无缺陷的砷化镓则在沟槽上方生长形成脊。砷化镓沉积区域具有不同的导电性能，同时包含三个由砷化镓铟制成的量子阱发光层。脊上覆盖有一层磷化铟镓（InGaP）保护材料，最终封装在二氧化硅中（未显示）。当电流通过脊和硅中的金属触点时，会产生光。这束光在脊末端的反射镜（未显示）之间反射，形成激光的驻波（光学模式）。
图1 芯片上的激光设备
由此产生的装置呈现出横截面近似矩形的长形结构，起到了波导的作用，能够在小于1 μm²的横截面上引导光模（发射光的路径）。这种通道有利于光的放大。然而，紧密波导的一个缺点是光学模式会与为设备提供电流的金属触点发生相互作用。为了解决这一问题，研究人员优化了沿波导顶部的接触点阵列，尽管这种设计意味着操作激光器所需的电压比其他设置更高。
De Koninck 等人采用蚀刻工艺在波导末端形成反射镜，使光能够根据光放大和激光的需求在设备内来回反射。最后，研究人员使用标准工艺将激光器与电流连接起来。他们表明，该制造工艺能够在硅晶片上安装超过300个功能性激光装置。
激光二极管体积小巧，阈值电流（启动激光发射所需的电流）低于10 mA。激光的近红外波长约为1020 nm，总输出功率超过1 mW。此外，作者们还表明，当激光二极管两端的电压反向时，这些器件能够作为光探测器工作，而非发射器。
De Koninck团队的其他人于2017年首次证明，可以在硅晶片上生长光泵浦激光二极管，在这种激光二极管中，发光是由光而非电流激发的。然而，与光泵浦激光相比，电泵浦激光在实际应用中更为有用。因此，De Koninck及其同事长期致力于在硅片上生长电泵浦激光器的方法。通过优化镜面蚀刻工艺和在设备中添加高反射镜涂层，激光器的性能有望进一步提升。此外，隔离光学模式与金属接触点，并改进激光器的电流流向，也将提高其效率。作者对激光器的长期性能进行了初步测试，结果显示其性能具有良好前景，但仍需对砷化镓中残留缺陷的影响进行严格评估和深入了解。
该技术的未来应用要求二极管发出的激光通过晶圆上的波导传输，而波导可通过沉积一层合适的电介质材料来制造。理想情况下，发射光的波长应增加到1300 nm，这是数据中心首选的波长。这一目标可以通过多种方法实现，例如增加量子阱中的应变、在量子阱中掺入氮原子或对量子阱材料进行纳米结构化。实际上，可应用的近红外波长范围非常广泛。
该激光二极管具有多种潜在应用，包括用于数据中心的低成本、高密度芯片间互连、医疗和环境领域的光学传感器，以及类脑（神经形态）计算系统。最为重要的是，De Koninck及其同事的方法提供了一种可扩展且低成本的光子电路生产方式。这种方法有助于可持续发展，因为它采用硅作为基底，而非砷化镓，因为砷化镓的制备涉及危险化学品，其元素资源也不如硅丰富。
未来一个重要的研究方向是将激光二极管集成到包含先进互补金属氧化物半导体（CMOS）技术电子电路的芯片中。CMOS技术是计算机中大部分电路的基础。这可能需要在芯片制造的后期阶段，利用晶圆上预留的空间来添加激光二极管。目前的挑战在于开发不会损坏芯片其他部分的制造工艺，例如，De Koninck及其同事的工艺需要在590°C的高温下进行，这对已安装的芯片元件具有高度破坏性。如果能够克服这些技术难题，电子学与光子学将能够在芯片上实现无缝集成。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/d41586-024-04104-8
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