矽光子技術突破 imec首度展示電激發式砷化鎵奈米脊雷射

比利時微電子研究中心 (imec) 今 (15) 日宣布在矽光子領域取得重大進展，成功展示電激發式砷化鎵 (GaAs) 基材的多重量子井奈米脊雷射二極體，該元件在其 CMOS 試驗原型產線於 12 吋矽晶圓上採用單一基板完整製造。

imec 該研究登上《自然》期刊論文，描述其實現臨界電流低至 5 mA 且輸出功率超過 1 mW 的室溫連續波雷射技術，顯示了高品質三五族材料在矽材直接磊晶成長的發展潛力。此次技術突破為開發經濟高效的高性能光學元件鋪平了發展道路，滿足資料通訊、機器學習和人工智慧領域的應用。

imec 說，矽光子的主要障礙是缺乏具備高擴充性並與 CMOS 同質整合的光源，像是覆晶、微轉印技術或晶粒對晶圓 (Die-to-Wafer) 接合技術等異質整合方案牽涉了複雜的接合製程，或是必須採用昂貴的三五族基板，這些基板通常在處理後丟棄。這不僅提高成本，也引發有關永續發展和資源效率的疑慮。因此，在大型矽光子晶圓上有選擇性地直接磊晶長出高品質的三五族光學增益材料仍是備受推崇的開發目標。

三五族材料和矽材在晶格參數和熱膨脹係數方面的嚴重不匹配會難以避免地導致晶體錯位的缺陷，這些缺陷會造成雷射的性能和可靠度惡化。選擇性區域成長 (Selective-area growth, SAG) 搭配深寬比捕捉技術 (aspect ratio trapping, ART) 透過蝕刻在一層介電遮罩內的多個窄溝槽來侷限錯位差排，大幅減少與矽材整合之三五族材料的內部缺陷。

imec Scientific Director Bernardette Kunert 表示，過去幾年來，imec 持續開創奈米脊型工程技術，這項技術奠基於選擇性區域成長 (SAG) 和深寬比捕捉技術 (ART)，用來在這些溝槽之外成長具備低缺陷的三五族奈米脊。

這種作法不僅進一步減少缺陷，也能更精準控制材料的尺寸和組成。經過 imec 優化的奈米脊型結構通常具備遠低於 105 cm-2 的穿線差排密度。現在利用三五族奈米脊工程的概念，在標準的 12 吋矽晶圓上展示電激發式砷化鎵 (GaAs) 基材雷射的首次完整晶圓級製造，全程都在 CMOS 試驗製造產線進行。

藉著具備低缺陷的砷化鎵奈米脊結構，這些雷射整合了砷化銦鎵 (InGaAs) 多重量子井來作為光學增益區，嵌入在一顆現場摻雜的反式 (p-i-n) 結構二極體內，並利用一層磷化銦鎵 (InGaP) 覆蓋層來進行鈍化。

imec 強調，利用電激發來實現室溫連續波運作是一項重大進展，克服電流傳輸和介面工程方面的挑戰。這些元件在雷射波長約為 1020nm 時的臨界電流低至 5 mA，斜率效率高達 0.5 W/A，且光學功率達到 1.75 mW，顯示出一條用於高性能矽積體光源的可擴展發展道路。

imec 矽光子科學院士暨光學 I/O 產業聯合研發計畫主持人 Joris Van Campenhout 表明，在大尺寸矽晶圓上採取經濟高效的作法來整合高品質的三五族增益材料是推動新一代矽光子應用的關鍵技術。這些前景看好的奈米脊雷射研發成果象徵著運用直接磊晶成長來進行三五族單片整合的重大里程碑。

這項研究計畫屬於 imec 更大規模路徑探尋 (pathfinding) 任務的一部份，以推進三五族整合製程獲得更高的技術量能，從短期發展的覆晶和轉印異質技術，到異質晶圓和晶粒接合技術，最後是長期發展的直接磊晶成長。