硅襯底外延生長的中紅外激光器誕生，低成本中紅外傳感器指日可待
據麥姆斯咨詢報道，法國蒙彼利埃大學（University of Montpellier）的一項研究項目開發出中紅外激光光源的外延集成技術。
硅上集成半導體光源圖示
中紅外光譜涵蓋了大氣窗口和許多分子的吸收峰，這些分子對醫學與工業應用和環境監測都很重要。銻化鎵（GaSb）基激光二極管（LD）逐漸成為能夠完全覆蓋該波長范圍的獨特半導體激光技術，并可實現高靈敏度光學氣體傳感。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格昂貴。盡管人們對此類傳感器需求強烈，但這種情況仍阻礙著其大規模應用。
硅光子學為基于成熟CMOS工藝來構建經濟、緊湊的中紅外集成傳感器提供了發展前景。在這個波長范圍，已證實存在大量的無源光學元件。這與在長波紅外（LWIR）工作的帶間級聯激光器（ICL）或量子級聯激光器（QCL）形成了鮮明的對比，這二者需要更復雜的集成方案。
為了實現有源光子集成電路，研究者們正積極尋求在標準CMOS兼容的零偏（001）硅襯底上直接外延生長Ⅲ-Ⅴ族半導體激光器的技術。據麥姆斯咨詢報道，法國蒙彼利埃大學電子與系統研究所（IES）的研究團隊成功實現了在零偏硅襯底上外延生長中紅外半導體激光器，據說這是首次在微電子兼容硅材料上生長這種二極管。該紅外半導體激光器由GaSb基激光二極管構成，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。
這一突破將成為在“智能傳感器平臺集成硅基半導體激光光源”領域邁出的重要一步，可用于空氣污染監測、食品安全分析和檢測管道泄漏等環境傳感應用。該研究第一作者為Marta Rio Calvo，由Eric Tournie教授指導完成，并于2020年3月26日發表在Optica上。
新型中紅外激光器的制造工藝
“多數光化學傳感器是基于目標分子與中紅外光之間的相互作用而打造。”該研究團隊領導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，因為可以使用與制造手機和計算機等硅微電子產品相同的量產工藝技術來制造。”
盡管蒙彼利埃大學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準并不兼容。當其組裝操作用于產業兼容的硅器件時時，硅襯底與Ⅲ-Ⅴ族半導體材料的結構差異就會導致器件形成缺陷。
圖為外延堆棧結構：異質結構及其對應波長
“這種被稱為反相疇界（antiphase boundary）的特殊缺陷是器件殺手，會造成短路。”Tournie補充道，“在這項新研究中，我們開發出一種外延方法，可以有效防止這些缺陷到達器件的有源部分。”
該團隊發表的論文顯示，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，以及為確保結構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用前景
研究人員利用可產生連續波的中紅外激光二極管展示了這種新方法，并發現這種二極管在使用過程中光學損耗較低。
“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。”該研究評論表示，“這種外延方法還能用于包括帶間級聯激光器與量子級聯激光器在內的任何GaSb基光電器件及光電探測器。這是在制造完全集成中紅外傳感器方面取得的突破性進展。”
一旦這項新技術完全成熟，利用硅微電子機臺將激光器外延技術應用到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計成為可能。
研究者表示，這種激光器可與無源硅光子集成電路或CMOS技術相結合，可打造用于高靈敏度氣體和液體測量的小型、低成本的智能光子傳感器。
“我們使用的半導體材料可實現制造寬光譜（從1.5微米電信波段到25微米遠紅外波段）的激光器或光電探測器。”Tournie說，“我們的制造方法可應用于任何需要在硅平臺上集成Ⅲ-Ⅴ族半導體領域。目前，我們已利用這種新外延方法制造出發射光為8微米的量子級聯激光器。”
