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硅基光電子集成芯片以工藝成熟、集成度高、低成本的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，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、物聯(lián)網(wǎng)、超級(jí)計(jì)算機(jī)、人工智能等新興領(lǐng)域。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。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)失配等問題，因而研制高性能硅基外延激光器需要解決一系列關(guān)鍵的科學(xué)與技術(shù)難點(diǎn)。

近期，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室楊濤、楊曉光研究團(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)。科研人員采用疊層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115°C，為目前公開報(bào)道中同類器件的最高值。上述成果為實(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。

6月5日，相關(guān)研究成果以Significantly enhanced performance of InAs/GaAs quantum dot lasers on Si(001) via spatially separated co-doping為題，發(fā)表在Optics Express上。國(guó)際半導(dǎo)體行業(yè)雜志Semiconductor Today以專欄形式報(bào)道并推薦了這一成果。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金等支持。

論文鏈接

專欄報(bào)道

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。

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