硅衬底外延生长的中红外激光器诞生，低成本中红外传感器指日可待
2020-04-04 11:11:37 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
麦姆斯咨询：硅光子学为基于成熟CMOS工艺来构建经济、紧凑的中红外集成传感器提供了发展前景。在这个波长范围，已证实存在大量的无源光学元件。
据麦姆斯咨询报道，法国蒙彼利埃大学（University of Montpellier）的一项研究项目开发出中红外激光光源的外延集成技术。
硅上集成半导体光源图示
中红外光谱涵盖了大气窗口和许多分子的吸收峰，这些分子对医学与工业应用和环境监测都很重要。锑化镓（GaSb）基激光二极管（LD）逐渐成为能够完全覆盖该波长范围的独特半导体激光技术，并可实现高灵敏度光学气体传感。然而到目前为止，由于此类传感器仍主要依赖于分立器件的制造工艺，因此器件体积大且价格昂贵。尽管人们对此类传感器需求强烈，但这种情况仍阻碍着其大规模应用。
硅光子学为基于成熟CMOS工艺来构建经济、紧凑的中红外集成传感器提供了发展前景。在这个波长范围，已证实存在大量的无源光学元件。这与在长波红外（LWIR）工作的带间级联激光器（ICL）或量子级联激光器（QCL）形成了鲜明的对比，这二者需要更复杂的集成方案。
为了实现有源光子集成电路，研究者们正积极寻求在标准CMOS兼容的零偏（001）硅衬底上直接外延生长Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器的技术。据麦姆斯咨询报道，法国蒙彼利埃大学电子与系统研究所（IES）的研究团队成功实现了在零偏硅衬底上外延生长中红外半导体激光器，据说这是首次在微电子兼容硅材料上生长这种二极管。该红外半导体激光器由GaSb基激光二极管构成，具有低阈值电流密度、低光损耗、高温工作和高特征温度等特点。
这一突破将成为在“智能传感器平台集成硅基半导体激光光源”领域迈出的重要一步，可用于空气污染监测、食品安全分析和检测管道泄漏等环境传感应用。该研究第一作者为Marta Rio Calvo，由Eric Tournie教授指导完成，并于2020年3月26日发表在Optica上。论文链接为：https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-7-4-263。
新型中红外激光器的制造工艺
“多数光化学传感器是基于目标分子与中红外光之间的相互作用而打造。”该研究团队领导Eric Tournie解释，“在与微电子兼容的硅材料上制造中红外激光器可大幅降低成本，因为可以使用与制造手机和计算机等硅微电子产品相同的量产工艺技术来制造。”
尽管蒙彼利埃大学的研究人员以前曾在硅衬底上制造过激光器，但这些衬底与微电子制造的工艺标准并不兼容。当其组装操作用于产业兼容的硅器件时时，硅衬底与Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的结构差异就会导致器件形成缺陷。
图为外延堆栈结构：异质结构及其对应波长
“这种被称为反相畴界（antiphase boundary）的特殊缺陷是器件杀手，会造成短路。”Tournie补充道，“在这项新研究中，我们开发出一种外延方法，可以有效防止这些缺陷到达器件的有源部分。”
该团队发表的论文显示，利用其特定的外延工艺在零偏硅衬底上生长的激光二极管性能得到改善，这是一系列因素综合作用的结果，包括在研究中采用电感耦合等离子蚀刻来取代湿法蚀刻，以及为确保结构中没有反相畴界而采取的工艺步骤。
新型中红外激光器的特性及应用前景
研究人员利用可产生连续波的中红外激光二极管展示了这种新方法，并发现这种二极管在使用过程中光学损耗较低。
“这些GaSb基激光二极管显示出低阈值电流密度、低光损耗、高温工作和高特征温度等特点。”该研究评论表示，“这种外延方法还能用于包括带间级联激光器与量子级联激光器在内的任何GaSb基光电器件及光电探测器。这是在制造完全集成中红外传感器方面取得的突破性进展。”
一旦这项新技术完全成熟，利用硅微电子机台将激光器外延技术应用到300毫米的大尺寸硅衬底上，将显著改善制造过程的控制，最终降低激光器制造成本并使新器件设计成为可能。
研究者表示，这种激光器可与无源硅光子集成电路或CMOS技术相结合，可打造用于高灵敏度气体和液体测量的小型、低成本的智能光子传感器。
“我们使用的半导体材料可实现制造宽光谱（从1.5微米电信波段到25微米远红外波段）的激光器或光电探测器。”Tournie说，“我们的制造方法可应用于任何需要在硅平台上集成Ⅲ-Ⅴ族半导体领域。目前，我们已利用这种新外延方法制造出发射光为8微米的量子级联激光器。”
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