硅基光電子集成芯片以成熟穩(wěn)定的CMOS工藝為基礎(chǔ)，將傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)所需的巨量功能器件高密度集成在同一芯片上，極大提升芯片的信息傳輸和處理能力，可廣泛應(yīng)用于超大數(shù)據(jù)中心、5G／6G、物聯(lián)網(wǎng)、超級(jí)計(jì)算機(jī)、人工智能等新興領(lǐng)域。由于硅（Si）材料發(fā)光效率低，因此將發(fā)光效率高的III－V族半導(dǎo)體材料如砷化鎵（GaAs）外延在CMOS兼容Si基襯底上，并外延和制備激光器被公認(rèn)為最優(yōu)的片上光源方案。由于Si與GaAs材料間存在大的晶格失配、極性失配和熱膨脹系數(shù)失配等問(wèn)題，在與CMOS兼容的無(wú)偏角Si襯底上研制高性能硅基外延激光器需解決一系列關(guān)鍵的科學(xué)與技術(shù)難點(diǎn)。

近期，半導(dǎo)體所材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室楊濤－楊曉光團(tuán)隊(duì)在硅基外延量子點(diǎn)激光器及其摻雜調(diào)控方面取得重要研究進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)采用分子束外延技術(shù)，在緩沖層總厚度2700nm條件下，將硅基GaAs材料缺陷密度降低至106cm－2量級(jí)。采用疊層InAs／GaAs量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)作為有源區(qū)，并首次提出和將“p型調(diào)制摻雜＋直接Si摻雜”的分域雙摻雜調(diào)控技術(shù)應(yīng)用于有源區(qū)，研制出可高溫工作的低功耗片上光源。室溫下，該器件連續(xù)輸出功率超過(guò)70mW，閾值電流比同結(jié)構(gòu)僅p型摻雜激光器降低30％。該器件最高連續(xù)工作溫度超過(guò)115°C，為目前公開(kāi)報(bào)道中與CMOS兼容的無(wú)偏角硅基直接外延激光器的最高值。上述技術(shù)與結(jié)果為實(shí)現(xiàn)超低功耗、高溫度穩(wěn)定的高密度硅基光電子集成芯片提供了關(guān)鍵方案和核心光源。

相關(guān)研究成果以題目《Significantly enhanced performance of InAs／GaAs quantum dot lasers on Si（001） via spatially separated co－doping》2023年6月1日發(fā)表在Optics Express上。文章刊出兩周后，國(guó)際半導(dǎo)體行業(yè)著名雜志Semiconductor Today以專(zhuān)欄形式報(bào)道并推薦了該項(xiàng)成果。

本研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目支持。

圖1 硅基外延量子點(diǎn)激光器結(jié)構(gòu)示意及器件前腔面的掃描電子顯微圖像。

圖2 采用雙摻雜調(diào)控的器件與參比器件在不同工作溫度下的連續(xù)輸出P－I曲線，插圖為雙摻雜調(diào)控激光器在115℃、175mA連續(xù)電流下的光譜。