硅襯底外延生長(zhǎng)的中紅外激光器誕生，低成本中紅外傳感器指日可待
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，法國(guó)蒙彼利埃大學(xué)（University of Montpellier）的一項(xiàng)研究項(xiàng)目開發(fā)出中紅外激光光源的外延集成技術(shù)。
硅上集成半導(dǎo)體光源圖示
中紅外光譜涵蓋了大氣窗口和許多分子的吸收峰，這些分子對(duì)醫(yī)學(xué)與工業(yè)應(yīng)用和環(huán)境監(jiān)測(cè)都很重要。銻化鎵（GaSb）基激光二極管（LD）逐漸成為能夠完全覆蓋該波長(zhǎng)范圍的獨(dú)特半導(dǎo)體激光技術(shù)，并可實(shí)現(xiàn)高靈敏度光學(xué)氣體傳感。然而到目前為止，由于此類傳感器仍主要依賴于分立器件的制造工藝，因此器件體積大且價(jià)格昂貴。盡管人們對(duì)此類傳感器需求強(qiáng)烈，但這種情況仍阻礙著其大規(guī)模應(yīng)用。
硅光子學(xué)為基于成熟CMOS工藝來構(gòu)建經(jīng)濟(jì)、緊湊的中紅外集成傳感器提供了發(fā)展前景。在這個(gè)波長(zhǎng)范圍，已證實(shí)存在大量的無源光學(xué)元件。這與在長(zhǎng)波紅外（LWIR）工作的帶間級(jí)聯(lián)激光器（ICL）或量子級(jí)聯(lián)激光器（QCL）形成了鮮明的對(duì)比，這二者需要更復(fù)雜的集成方案。
為了實(shí)現(xiàn)有源光子集成電路，研究者們正積極尋求在標(biāo)準(zhǔn)CMOS兼容的零偏（001）硅襯底上直接外延生長(zhǎng)Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體激光器的技術(shù)。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，法國(guó)蒙彼利埃大學(xué)電子與系統(tǒng)研究所（IES）的研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了在零偏硅襯底上外延生長(zhǎng)中紅外半導(dǎo)體激光器，據(jù)說這是首次在微電子兼容硅材料上生長(zhǎng)這種二極管。該紅外半導(dǎo)體激光器由GaSb基激光二極管構(gòu)成，具有低閾值電流密度、低光損耗、高溫工作和高特征溫度等特點(diǎn)。
這一突破將成為在“智能傳感器平臺(tái)集成硅基半導(dǎo)體激光光源”領(lǐng)域邁出的重要一步，可用于空氣污染監(jiān)測(cè)、食品安全分析和檢測(cè)管道泄漏等環(huán)境傳感應(yīng)用。該研究第一作者為Marta Rio Calvo，由Eric Tournie教授指導(dǎo)完成，并于2020年3月26日發(fā)表在Optica上。
新型中紅外激光器的制造工藝
“多數(shù)光化學(xué)傳感器是基于目標(biāo)分子與中紅外光之間的相互作用而打造?！痹撗芯繄F(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)Eric Tournie解釋，“在與微電子兼容的硅材料上制造中紅外激光器可大幅降低成本，因?yàn)榭梢允褂门c制造手機(jī)和計(jì)算機(jī)等硅微電子產(chǎn)品相同的量產(chǎn)工藝技術(shù)來制造。”
盡管蒙彼利埃大學(xué)的研究人員以前曾在硅襯底上制造過激光器，但這些襯底與微電子制造的工藝標(biāo)準(zhǔn)并不兼容。當(dāng)其組裝操作用于產(chǎn)業(yè)兼容的硅器件時(shí)時(shí)，硅襯底與Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)差異就會(huì)導(dǎo)致器件形成缺陷。
圖為外延堆棧結(jié)構(gòu)：異質(zhì)結(jié)構(gòu)及其對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)
“這種被稱為反相疇界（antiphase boundary）的特殊缺陷是器件殺手，會(huì)造成短路?！盩ournie補(bǔ)充道，“在這項(xiàng)新研究中，我們開發(fā)出一種外延方法，可以有效防止這些缺陷到達(dá)器件的有源部分?！?/p>
該團(tuán)隊(duì)發(fā)表的論文顯示，利用其特定的外延工藝在零偏硅襯底上生長(zhǎng)的激光二極管性能得到改善，這是一系列因素綜合作用的結(jié)果，包括在研究中采用電感耦合等離子蝕刻來取代濕法蝕刻，以及為確保結(jié)構(gòu)中沒有反相疇界而采取的工藝步驟。
新型中紅外激光器的特性及應(yīng)用前景
研究人員利用可產(chǎn)生連續(xù)波的中紅外激光二極管展示了這種新方法，并發(fā)現(xiàn)這種二極管在使用過程中光學(xué)損耗較低。
“這些GaSb基激光二極管顯示出低閾值電流密度、低光損耗、高溫工作和高特征溫度等特點(diǎn)。”該研究評(píng)論表示，“這種外延方法還能用于包括帶間級(jí)聯(lián)激光器與量子級(jí)聯(lián)激光器在內(nèi)的任何GaSb基光電器件及光電探測(cè)器。這是在制造完全集成中紅外傳感器方面取得的突破性進(jìn)展?！?/p>
一旦這項(xiàng)新技術(shù)完全成熟，利用硅微電子機(jī)臺(tái)將激光器外延技術(shù)應(yīng)用到300毫米的大尺寸硅襯底上，將顯著改善制造過程的控制，最終降低激光器制造成本并使新器件設(shè)計(jì)成為可能。
研究者表示，這種激光器可與無源硅光子集成電路或CMOS技術(shù)相結(jié)合，可打造用于高靈敏度氣體和液體測(cè)量的小型、低成本的智能光子傳感器。
“我們使用的半導(dǎo)體材料可實(shí)現(xiàn)制造寬光譜（從1.5微米電信波段到25微米遠(yuǎn)紅外波段）的激光器或光電探測(cè)器。”Tournie說，“我們的制造方法可應(yīng)用于任何需要在硅平臺(tái)上集成Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體領(lǐng)域。目前，我們已利用這種新外延方法制造出發(fā)射光為8微米的量子級(jí)聯(lián)激光器?！?/p>
