比利时微电子研究中心15日宣布在硅光子领域取得重大进展，成功展示电激发式砷化镓基材的多重量子井纳米脊雷射二极管，该组件在其CMOS试验原型产线于12寸硅晶圆上采用单一基板完整制造。
imec 该研究登上《自然》期刊论文，描述其实现临界电流低至 5 mA 且输出功率超过 1 mW 的室温连续波激光技术，显示了高质量三五族材料在硅材直接磊晶成长的发展潜力。 此次技术突破为开发经济高效的高性能光学元件铺平了发展道路，满足数据通信、机器学习和人工智能领域的应用。
imec说，硅光子的主要障碍是缺乏具备高扩充性并与CMOS同质整合的光源，像是覆晶、微转印技术或晶粒对晶圆接合技术等异质整合方案牵涉了复杂的接合制程，或是必须采用昂贵的三五族基板，这些基板通常在处理后丢弃。 这不仅提高成本，也引发有关永续发展和资源效率的疑虑。 因此，在大型硅光子晶圆上有选择性地直接磊晶长出高品质的三五族光学增益材料仍是备受推崇的开发目标。
三五族材料和硅材在晶格参数和热膨胀系数方面的严重不匹配会难以避免地导致晶体错位的缺陷，这些缺陷会造成激光的性能和可靠度恶化。 选择性区域成长搭配深宽比捕捉技术透过蚀刻在一层介电屏蔽内的多个窄沟槽来局限错位差排，大幅减少与硅材整合之三五族材料的内部缺陷。
imec Scientific Director Bernardette Kunert表示，过去几年来，imec持续开创纳米脊型工程技术，这项技术奠基于选择性区域成长(SAG)和深宽比捕捉技术(ART)，用来在这些沟槽之外成长具备低缺陷的三五族纳米脊。
这种作法不仅进一步减少缺陷，也能更精准控制材料的尺寸和组成。 经过imec优化的纳米脊型结构通常具备远低于105 cm-2的穿线差排密度。 现在利用三五族纳米脊工程的概念，在标准的12寸硅晶圆上展示电激发式砷化镓(GaAs)基材激光的首次完整晶圆级制造，全程都在CMOS试验制造产线进行。
藉着具备低缺陷的砷化镓纳米脊结构，这些激光整合了砷化铟镓(InGaAs) 多重量子井来作为光学增益区，嵌入在一颗现场掺杂的反式(p-i-n)结构二极体内，并利用一层磷化铟镓(InGaP) 覆盖层来进行钝化。
imec强调，利用电激发来实现室温连续波运作是一项重大进展，克服电流传输和接口工程方面的挑战。 这些器件在激光波长约为1020nm时的临界电流低至5 mA，斜率效率高达0.5W/A，且光学功率达到1.75 mW，显示出一条用于高性能硅集成电路的可扩展发展道路。
imec 硅光子科学院士暨光学I/O产业联合研发计划主持人Joris Van Campenhout表明，在大尺寸硅晶圆上采取经济高效的作法来整合高质量的三五族增益材料是推动新一代硅光子应用的关键技术。 这些前景看好的纳米脊雷射研发成果象征着运用直接磊晶成长来进行三五族单片整合的重大里程碑。
这项研究计划属于imec更大规模路径探寻任务的一部份，以推进三五族整合制程获得更高的技术量能，从短期发展的覆晶和转印异质技术，到异质晶圆和晶粒接合技术，最后是长期发展的直接磊晶成长。
