半導(dǎo)體所硅基外延量子點(diǎn)激光器研究取得進(jìn)展

  ICC訊 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，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)、超級計算機(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，因而在與CMOS兼容的無偏角Si襯底上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，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所材料科學(xué)重點(diǎn)實驗室楊濤與楊曉光研究團(tuán)隊，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?？蒲腥藛T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，為目前公開報道中與CMOS兼容的無偏角硅基直接外延激光器的最高值。上述成果為實現(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1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《光學(xué)快報》（Optics Express）上。國際半導(dǎo)體行業(yè)雜志Semiconductor Today以專欄形式報道并推薦了這一成果。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金等的支持。

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