新型CMOS晶圆工艺制造混合激光二极管 | 前沿

法国原子能委员会电子与信息技术实验（CEA-Leti）室和意法半导体公司的一个研究小组展示了第一款采用适合大规模生产的200mm晶圆制造工艺制成的III-V族/硅混合激光器。Bertrand Szelag等报告称，该分布式反馈（DFB）发射器的最大输出功率为4 mW，边模抑制比（SMSR）为50分贝。

研究小组的工作表明，完全有可能开发出适合于大规模集成的硅晶片制造工艺来制造大功率激光器，这种工艺类似于制造传统硅芯片的方式。尽管混合材料方法结合了化合物半导体的发光特性和硅的实用性，但是迄今为止还没有证明大硅晶片的制造工艺能够与全尺寸CMOS工艺兼容。

这项最新的研究工作具有完全平面工艺流程的优点，如果它能够成为第一种真正意义上实现大规模生产的激光二极管制造工艺，那么对于低成本硅光子集成工艺而言，这一跨越式发展可能具有非常重要的意义。

CMOS兼容性

研究小组表示：“我们采用的方法的新颖性依赖于使用创新的激光电触点，其中不包含任何黄金等贵金属，并且没有使用一体化'剥离'的过程。由于这些特性，激光触点使用了平坦化后端，并且在组成和集成方案方面都兼容CMOS。”

研究团队在III-V材料增益区下方生长了500nm厚的硅层。在使用深紫外平版印刷术将布拉格光栅光刻到增益区域下方的加厚硅波导区域中之后，键合携带关键元件的绝缘体上硅（SOI）和InP晶片。

在刻蚀掉InP衬底之后，在200mm直径的SOI晶片的顶部留下形成有源激光器元件的多量子阱外延结构。剩下的工艺步骤是进行接触金属化，Szelag和他的同事选择使用镍触点，因为它们的可用性更强并且与III-V材料的有源层结构相容。激光二极管通常使用金触点，这不适用于“剥离”过程。

激光输出

在室温下进行的连续波电泵浦测试中，该激光器件在1300nm的波长处输出功率高达4 mW，其中边模抑制比为50dB表明了良好的光谱纯度。虽然输出功率随驱动电流的增加而变化，但研究小组表示，激光阈值电流在50 mA至65 mA之间都是稳定的。

他们还指出：“串联电阻在10Ω的范围内，这与使用非CMOS兼容工艺和材料制造的器件一致。因此，这些结果验证了采用完全兼容CMOS的镍基合金作为III-V金属化的集成是正确的。”

未来工作将考虑优化设计，包括使用非晶硅来提高发射功率、采用两层金属布线用于提高电流驱动力，并进一步降低等效电阻。

（王振 摘编自 中国光学期刊网）

责编 李 畅

校对 刘日华