近日，比利时IMEC研究中心的团队发表了一项突破性研究，宣布他们成功研发出了一种新型的GaAs（砷化镓）纳米脊激光二极管。这种激光器通过全新的纳米脊工程方法实现了在300毫米硅（Si）晶圆上的单片集成，具有低阈值电流、高效率和大规模制造的潜力。该研究以“GaAs nano-ridge laser diodes fully fabricated in a 300-mm CMOS pilot line”为题，发表在顶尖学术期刊《Nature》上。
硅光子技术一直被视为光通信、光计算和传感领域的未来，但其大规模应用的主要障碍之一是缺乏与CMOS工艺兼容的低成本、高质量光源。尽管混合和异质集成的III-V族光源在此领域取得了一些进展，但其制造成本高、工艺复杂，难以满足未来高容量低成本应用的需求。
IMEC团队的研究采用了一种全新的集成方法——纳米脊工程（Nano-Ridge Engineering，NRE），通过在硅晶圆表面构建纳米级高纵横比沟槽，选择性地生长出低缺陷密度的GaAs纳米脊结构。这些结构内嵌InGaAs量子阱，形成p–i–n二极管，能够实现高效的电流注入和光增益，从而实现了在室温下连续波工作的激光器。
研究结果显示，这种纳米脊激光器在1020 nm波长下具有以下优异性能：
- 低阈值电流：实验中实现了最低仅为5毫安的阈值电流。
- 高输出功率：单片输出功率可超过1毫瓦。
- 窄激光线宽：激光线宽仅46 MHz。
- 可靠性：在室温条件下，连续波激光器经过至少500小时的测试，其性能仅出现轻微衰减，表现出卓越的可靠性。
图3. 蚀刻面 GaAs NR 激光器的晶圆上测量性能示意图
该团队通过金属有机气相外延（MOVPE）技术在300毫米硅晶圆上实现了GaAs纳米脊的选择性区域生长。他们通过优化生长参数，显著降低了晶体缺陷密度（低于每平方厘米10^5），从而克服了III-V族材料与硅之间晶格失配和热膨胀系数差异带来的问题。此外，该工艺摒弃了传统的厚缓冲层方案，大幅降低了晶圆翘曲和开裂的风险。
这种单片集成的激光器为硅光子技术的发展开辟了新的可能性。其高质量、低成本的特性使其在以下领域具有广阔的应用前景：
- 高速光互连：适用于数据中心和机器学习系统的芯片间通信。
- 光纤接入网络：推动更高带宽、更低成本的宽带接入解决方案。
- 消费级传感器：支持可穿戴设备、智能手机中的光传感功能。
尽管这一成果代表了硅光子集成激光器的重要里程碑，但研究团队也指出了需要进一步解决的技术挑战，包括：
提高激光器的长期可靠性，进一步降低阈值电流。 优化器件结构以提高壁插效率，减少光学和电学损耗。 扩展激光器的工作波长范围，例如向O波段拓展以支持更多应用场景。
IMEC团队表示，他们计划在未来通过改进工艺和设计，进一步提升激光器的性能和可制造性。这项研究的成功不仅为硅光子技术注入了新的活力，也为低成本、高性能的光电子器件发展指明了方向。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08364-2
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