矽基光電子集成芯片以成熟穩定的CMOS工藝為(wei) 基礎,將傳(chuan) 統光學係統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(chuan) 輸和處理能力,可廣泛應用於(yu) 超大數據中心、5G/6G、物聯網、超級計算機、人工智能等新興(xing) 領域。由於(yu) 矽(Si)材料發光效率低,因此將發光效率高的III-V族半導體(ti) 材料如砷化镓(GaAs)外延在CMOS兼容Si基襯底上,並外延和製備激光器被公認為(wei) 最優(you) 的片上光源方案。由於(yu) Si與(yu) GaAs材料間存在大的晶格失配、極性失配和熱膨脹係數失配等問題,在與(yu) CMOS兼容的無偏角Si襯底上研製高性能矽基外延激光器需解決(jue) 一係列關(guan) 鍵的科學與(yu) 技術難點。
近期,半導體(ti) 所材料科學重點實驗室楊濤-楊曉光團隊在矽基外延量子點激光器及其摻雜調控方麵取得重要研究進展。該團隊采用分子束外延技術,在緩衝(chong) 層總厚度2700nm條件下,將矽基GaAs材料缺陷密度降低至106cm-2量級。采用疊層InAs/GaAs量子點結構作為(wei) 有源區,並首次提出和將“p型調製摻雜+直接Si摻雜”的分域雙摻雜調控技術應用於(yu) 有源區,研製出可高溫工作的低功耗片上光源。室溫下,該器件連續輸出功率超過70mW,閾值電流比同結構僅(jin) p型摻雜激光器降低30%。該器件最高連續工作溫度超過115°C,為(wei) 目前公開報道中與(yu) CMOS兼容的無偏角矽基直接外延激光器的最高值。上述技術與(yu) 結果為(wei) 實現超低功耗、高溫度穩定的高密度矽基光電子集成芯片提供了關(guan) 鍵方案和核心光源。
相關(guan) 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日發表在Optics Express上。文章刊出兩(liang) 周後,國際半導體(ti) 行業(ye) 著名雜誌Semiconductor Today以專(zhuan) 欄形式報道並推薦了該項成果。
本研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目支持。
圖1 矽基外延量子點激光器結構示意及器件前腔麵的掃描電子顯微圖像。
圖2 采用雙摻雜調控的器件與(yu) 參比器件在不同工作溫度下的連續輸出P-I曲線,插圖為(wei) 雙摻雜調控激光器在115℃、175mA連續電流下的光譜。
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