光进铜退：世界首台晶圆级氮化硅异质集成激光器

硅光子技术结合了集成电路技术的超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势，其核心理念是“以光代电”。

随着互联网流量的持续爆发，芯片层面的“光进铜退”将是大势所趋，硅光子技术有望成为应对摩尔定律失效的颠覆性技术。

近日， Nexus Photonics公司联合创始人兼首席执行长Tin Komljenovic博士及其科研团队在硅光子集成研究领域取得重大进展，首次将晶圆级电泵浦光源集成到SiN光子平台上，并研制出世界上第一台在硅带隙以下波长工作的GaAs/SiN异质集成激光器。

其超宽的工作波长将使得硅光子技术在通信、定位、导航、测量系统、机器视觉等应用领域实现重大突破。

图1 Nexus Photonics公司Tin Komljenovic团队的

硅晶圆是制造半导体晶体管或集成电路（IC）的衬底，随着微电子行业的开发能力不断提高和更多资金注入，高品质硅晶圆的制造加工在光子学领域已逐渐撕掉“航天级尖端技术难题”的标签，而基于硅光子集成技术的晶圆级硅基光子器件将是未来光通信、光互联领域的具有革新意义产品。

硅是微电子学中应用最为广泛的材料，然而硅是间接带隙半导体，禁带宽度窄，其内部存在着很多非辐射复合机制，导致硅材料的发光效率很低，这就限制了其在光电集成领域的应用。

在利用拉曼效应和稀土掺杂等手段开发硅基光源方面，虽已有取得了丰富的研究成果，但都无法满足商业需求。

随着异质硅光子集成技术的发展，加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的研究人员提出了一种硅基电泵浦AlGaInAs混合激光器结构（如图2所示），并且英特尔公司以每年数百万美元的投资将其商业化，在硅光电子学领域实现了重大技术突破。

图2 硅基电泵浦AlGaInAs混合激光器结构示意图

加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校的研究团队虽然在300mm硅晶圆上集成了电泵浦激光源，并且通过改变硅波导的宽度，可以实现在单个晶圆上复杂的光子集成，但其工作波长却只能限制在大于1200nm的范围。对于高清显示器、AR/VR、3D传感、量子处理、定位、导航、光谱学计量、生物传感等应用领域，其所需的工作波长更短，甚至需要达到400nm或更低。

许多研究人员尝试利用SiN、LiNbO₃、Ta₂O₅、AlN、Al₂O₃等具有较大带隙能量的材料用于光子集成电路来实现短波长光子学平台。

然而，在上述研究成果中，激光器要么是外部耦合的，要么封装过程无法自由扩展且制作成本昂贵。

因此，为了应对的新兴市场需求，需要研发一种为工作波长小于400nm的普通无源平台提供片上光源和低噪声放大器的晶圆级加工工艺，并能够以较低的加工成本制造出高性能、高成品率的光子集成器件。

在本项研究中，Tin Komljenovic团队开发了一种新型光子集成平台，通过在普通无源材料（通常具有较低折射率）和普通有源材料之间采用特殊的光耦合技术实现光放大、探测和调制，使其覆盖整个可见光至红外波段。

此外，这种技术无需Si作为中间层，能够利用无源波导材料的全透明特性，避免了中间层的带隙限制。

该工艺以异质硅光子集成技术为基础，制备流程主要包括低温晶圆键合、沉积和刻蚀，其整体制备工艺满足CMOS兼容要求。

高通量光刻版保证了无源材料区与有源材料区之间的对准精度，其精度水平高于100nm。并且无需在高折射率区域或狭窄的锥形尖端处形成薄膜即可实现高效耦合，解决了晶格匹配的问题。

如图3所示，采用SiN作为波导，因为它是一种标准CMOS材料，从而简化了制作工艺。

对GaAs激光器和光探测器进行异质集成，值得注意的是，折射率差大于1.5的材料之间要保证高效地光耦合。

SiN波导的基础模式是TE单模输出，厚度为350nm，支持有效的无源器件。

本研究中的光耦合技术首先进行无源材料处理，然后以键合的方式将有源材料集成在硅晶圆上，再进行衬底移除和有源材料结构层处理。

去除衬底后，有源材料层的厚度约为2μm，并且包含了支持垂直电流注入且无需二次生长的InGaAs量子阱。

图3 GaAs激光器和SiN波导的电镜扫描及基模模场

图4所示为Tin Komljenovic团队制造的集成16个电泵浦激光模组的100mm硅晶圆。

通过选用两种不同有源材料GaAs和GaN实现了在400~1000nm工作波段的覆盖，在全波长范围内总损耗低于0.5 db。

图4 Nexus Photonics公司制造的100 mm晶圆级硅基电泵浦激光器阵列

图5为Tin Komljenovic团队制造的晶圆级电泵浦激光器阵列单元的放大细节图。

电泵浦GaAs激光器与SiN波导进行耦合，并通过无源波导中的S弯路由到片上光电探测器以实现晶圆级光学器件测试。

图5 Nexus Photonics公司制造的

世界上第一台GaAs/SiN异质集成激光器

在不同注入电流下该激光器990nm附近的电致发光光谱线宽远低于Si带隙，并表现出良好的电致发光特性。

在室温下对多组激光器的SiN波导耦合输出功率进行连续测量，阈值电流为185 mA，阈值后，输出光强随电流增大而大幅线性增加超过10mW，并且多组激光器的输出特性具有很高的一致性。

此外，为实现工艺方面的高效性，其团队第一代产品所设计的光耦合器并未达到最佳耦合效率（目前高于70%），在未来其耦合效率可进一步提高到90%以上。

Tin Komljenovic研究团队研发出了世界上第一台GaAs/SiN异质集成激光器，并实现了晶圆级SiN波导耦合探测的高性能测试。

这项晶圆级短波光源光子集成技术有望在高清显示器、AR/VR、3D传感、量子处理、定位、导航、光谱学计量、生物传感等应用领域实现重大突破，使系统设计人员能够克服尺寸、重量、性能和成本（SWaP-C）的挑战。

以目前发展态势来看，晶圆级硅基异质光子集成技术在未来很有可能发展成为一种“超越摩尔定律”的微电子主流技术，对实现单一芯片的功能多样化具有重大意义和实用价值。

该论文题目是 Heterogeneous silicon nitride photonics ，发表在 Optica 。

论文全文下载地址：

https://doi.org/10.1364/OPTICA.391809

文章来源：中科院长春光机所 Light学术出版中心