像犁地一样操作，让硅基激光器成为可能

如今，硅光子电路连接着服务器机架，并在化学传感器、生物传感器和用于自动驾驶汽车的激光雷达中发挥着关键作用。硅光子学利用光来传输数据，而不是依靠电信号，但由于硅本身不能有效地产生光，因此需要激光器作为光源。

技术挑战
硅光子器件通常使用位于芯片外的激光器，或者需要各种变通方法才能将激光器安装到芯片上。工程师可以将砷化镓芯片或小硅片粘接到硅波导上，然后在上面制造激光器，这一过程需要专门的设备，而且会造成材料浪费。或者，可以将完成的激光器转移到硅芯片上。转移过程需要仔细校准，而且需要花费大量的时间和精力。

在芯片上安装激光器历来是一项挑战，硅本身无法制造高质量的激光器，而最好的激光材料是砷化镓（GaAs）等化合物半导体，与硅的结合并不理想。现有的方法需要将这些材料粘合到硅上，这个过程既昂贵又浪费。

作为制造工艺的一部分，直接在硅片上生长激光器的前景十分诱人，这样就有可能以更低的成本、更大的规模和更快的速度制造出这些设备。但必要的发光材料——由元素周期表第三列和第五列中的元素组成的化合物半导体——与硅不兼容。这些III-V族半导体的晶体结构与硅的晶体结构不一致。因此，当它们在硅上生长时，就会产生应变和扭曲，从而产生影响性能的缺陷。

包含数千个砷化镓器件的300mm硅晶圆，多芯片特写，以及砷化镓纳米桥阵列外延后的扫描电子显微镜照片

纳米桥的作用
比利时微电子研究中心（Imec）的研究团队通过接受和限制这种缺陷，找到了解决材料不匹配问题的方法。他们没有直接在硅晶片上生长激光器，而是先在硅晶片上覆盖二氧化硅，然后沿着硅晶片表面在上面材料上切割箭头形沟槽，就像播种前犁地一样。

接着，他们在沟槽内沉积砷化镓，使其只与沟槽底部的硅接触。Imec产品工程师Didit Yudistira 表示，由于这种不舒服的晶体接触，缺陷会在沟槽内积聚，但它们实际上被埋在沟槽内。缺陷不会扩散到沟槽顶部生长的III-V材料纳米桥上，从而形成纳米桥激光器的有源部分。

为了完成激光器的制作，Imec小组沿纳米桥生长出更多的砷化镓，并嵌入有助于控制光波长的砷化镓铟层。最后，这些设备还配有电触点和反射镜。Imec团队已经在300mm硅晶圆（先进晶圆厂使用的尺寸）上制造了数百个这种化合物半导体激光器以及光电探测器。

砷化镓纳米桥阵列外延后的扫描电子显微镜照片

在今年1月，Imec研究团队在《自然》杂志上发表了一篇论文详细介绍了这种方法。该方法以纳米桥工程为基础，限制了会降低激光器性能的缺陷。这一发现可能会带来更经济实惠、更可扩展的光子设备，从而有可能改变数据通信、机器学习和人工智能领域的应用。

激光器使用砷化镓铟（InGaAs）多量子阱作为光学增益区，并嵌入掺杂pi-n二极管结构中。它们在室温下以连续波电注入方式工作，阈值电流低至5mA，输出功率高达1.75mW。Imec科学总监Bernardette Kunert表示：在过去几年中，Imec开创了纳米桥工程技术，该技术以SAG（选择性面积生长）和ART（高宽比陷波）为基础，在沟槽外生长低缺陷III-V族纳米桥。

纳米桥激光器发出的光波长为1020nm，IEEE Spectrum指出，这比电信领域通常使用的波长要短。Imec研究人员表示，他们正在积极努力延长波长并改进设计，以减少电接触附近的缺陷。如果取得成功，这种方法将为把激光器集成到硅光子学中提供一种可扩展且具有成本效益的解决方案，为未来的高性能光学设备铺平道路。