IMEC 在 300 mm 晶圆上实现硅光子激光器的“突破”

首次全晶圆级制造基于电泵浦 GaAs 的“纳米脊”激光器。

一个包含数千个 GaAs 器件的 300mm 硅片。

imec 是总部位于比利时的纳米电子和数字技术研究和创新中心，宣布了“硅光子学的一个重要里程碑”，在其 CMOS 中试原型生产线中成功演示了基于 GaAs 的基于多量子阱纳米脊激光二极管的完全单片制造在 300 mm 硅晶片上。

2025 年 1 月 1 日发表在《自然》杂志上的一篇论文中描述了阈值电流低至 5 mA、输出功率超过 1 mW 的室温连续波激光，证明了高质量 III-V 材料在硅上直接外延生长的潜力。科学家们评论说：“这是一项突破，为开发用于数据通信、机器学习和人工智能应用的经济高效的高性能光学设备提供了一条途径。

IMEC 评论道：“缺乏高度可扩展的原生 CMOS 集成光源一直是广泛采用硅光子学的主要障碍。混合或异构集成解决方案，如倒装芯片、微转移印刷或晶粒到晶圆键合，涉及复杂的键合工艺或需要昂贵的 III-V 族衬底，这些衬底通常在加工后被丢弃。

该声明继续说：“这不仅增加了成本，还引发了对可持续性和资源效率的担忧。因此，高质量 III-V 族光增益材料在大尺寸硅光子学晶片上选择性地直接外延生长仍然是一个备受追捧的目标。

III-V 和硅材料之间晶格参数和热膨胀系数的巨大不匹配不可避免地引发了晶体失配缺陷的形成，众所周知，这些缺陷会降低激光器的性能和可靠性。选择性面积增长 [SAG] 与纵横比捕获 [ART] 相结合，通过将失配位错限制在介电掩模蚀刻的狭窄沟槽内，显著减少了硅上集成的 III-V 材料的缺陷。

imec 科学总监 Bernardette Kunert 评论道：“在过去的几年里，imec 开创了纳米脊工程，这是一种基于 SAG 和 ART 的技术，可在沟槽外生长低缺陷率的 III-V 纳米脊。这种方法不仅可以进一步减少缺陷，还可以精确控制材料尺寸和成分。

“我们优化的纳米脊结构通常具有远低于 105 cm-2 的螺纹位错密度。现在，imec 利用 III-V 纳米脊工程概念，展示了完全在 CMOS 中试生产线上在标准 300 mm 硅片上制造电泵浦 GaAs 激光器的首次全晶圆级制造，“Kunert 说。

技术细节

利用低缺陷率的 GaAs 纳米脊结构，激光器将 InGaAs 多个量子阱集成为光增益区域，嵌入原位掺杂 p-i-n 二极管中，并用 InGaP 封帽层钝化。通过电注入实现室温连续波操作是一项重大进步，克服了电流传输和接口工程方面的挑战。

这些器件在 ~1020 nm 处显示激光，阈值电流低至 5 mA，斜率效率高达 0.5 W/A，光功率达到 1.75 mW，展示了高性能硅集成光源的可扩展路径。

imec 硅光子学研究员兼光学 I/O 行业联盟研发计划主任 Joris Van Campenhout 表示：“在大直径硅晶片上经济高效地集成高质量的 III-V 增益材料是下一代硅光子学应用的关键推动因素。这些令人兴奋的纳米脊激光结果代表了使用直接外延生长进行整体 III-V 集成的一个重要里程碑。

该项目是 imec 更大的探路任务的一部分，旨在推进 III-V 集成工艺，以实现更高的技术准备，从短期内的倒装芯片和转移印刷混合技术，到异构晶圆和芯片键合技术，并最终在长期内直接实现外延生长。