近日,中國科學院上海微係統與(yu) 信息技術研究所異質集成XOI團隊,在通訊波段矽基磷化銦異質集成激光器方麵取得了重要進展。基於(yu) “離子刀”異質集成技術成功製備出高質量4英寸矽基InP單晶薄膜異質襯底(InPOS),並進一步製備了性能優(you) 異的晶圓級矽基1.55 mm通訊波段法布裏-珀羅腔(FP)腔激光器,得益於(yu) 高質量的矽基磷化銦單晶薄膜,器件連續波(CW)模式下單麵最高輸出功率達155 mW且未飽和,CW模式最高可工作至120 ℃,且閾值電流低至0.65 kA/cm-2,目前,在輸出功率、工作溫度和閾值電流密度等主要指標方麵均為(wei) 單片集成獲得的矽基C波段FP腔激光器國際已報道的最優(you) 值。
相關(guan) 研究成果以“High-power, electrically-driven continuous-wave 1.55-μm Si-based multi-quantum well lasers with a wide operating temperature range grown on wafer-scale InP-on-Si (100) heterogeneous substrate”為(wei) 題在線發表在最新一期國際頂級光學期刊Light:Science & Applications(IF=19.4)上,論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41377-024-01389-2。 矽光子學由於(yu) 其和成熟、低成本互補金屬氧化物半導體(ti) (CMOS)工藝之間的兼容性,被認為(wei) 是後摩爾時代未來光通訊最具潛力的解決(jue) 方案之一,從(cong) 而替代傳(chuan) 統的銅互連。然而,由於(yu) 矽的間接帶隙,高效、穩定的片上集成光源是目前矽基光子集成電路中最重要且亟待解決(jue) 的部分。目前主流的解決(jue) 方案通常是通過直接異質外延,在矽襯底上外延光電特性優(you) 異的直接帶隙III-V族材料,進而製備高性能激光器作為(wei) 片上光源。近年來,由於(yu) 量子點(QD)對缺陷的強容忍性和高溫下的熱穩定性,以及其異質外延生長技術的不斷發展完善,基於(yu) 砷化镓(GaAs)的矽基1.3 mm-O波段InAs QD激光器已經取得了大量的進展,包括極低的閾值電流密度以及優(you) 異的器件壽命等等。然而,除了O波段,基於(yu) InP襯底的1.55 mm-C波段激光器對於(yu) 覆蓋全通訊波段更為(wei) 重要,包括在長距離低損耗傳(chuan) 輸、傳(chuan) 感以及激光雷達等領域的應用。相較於(yu) GaAs和Si(4%),由於(yu) 磷化銦(InP)和矽之間更大的物理失配(8%),Si上外延的InP薄膜缺陷密度始終保持在108量級,且InP上QD的生長結果也進展緩慢,導致目前C波段片上光源發展嚴(yan) 重滯後。 中國科學院上海微係統與(yu) 信息技術研究所歐欣課題組基於(yu) 離子束剝離技術,首先製備高質量大尺寸異質集成矽基InP晶圓,隨後在異質集成襯底上生長1.55 mm激光器結構,從(cong) 而在“異質”襯底上實現了近似“同質”外延效果的單片集成片上光源。外延後TEM中並沒有觀察到直接異質外延當中常見的高密度位錯,且表麵仍具備極低的粗糙度(0.4 nm),打破了傳(chuan) 統異質外延中的“失配枷鎖”。基於(yu) 此技術路線進而在晶圓級異質襯底上製備了高性能FP腔C波段激光器。矽基激光器在連續波模式高溫條件下甚至展現出了超越體(ti) 材料器件的熱穩定性,更低的自熱效應以及更高的工作溫度,CW和Pulsed模式下的輸出曲線以及激射波長紅移速度對比均驗證了剝離所得矽基InP薄膜質量和InP體(ti) 材料的可比擬性。研究團隊基於(yu) 矽基InP異質襯底對C波段激光器的性能提升在用於(yu) 光子集成電路的片上光源發展領域具有重要意義(yi) 。 本文共同第一作者為(wei) 中國科學院上海微係統與(yu) 信息技術研究所博士生孫嘉良、博士後林家傑,中國科學院上海微係統與(yu) 信息技術研究所遊天桂研究員和歐欣研究員為(wei) 論文共同通訊作者。 該研究工作得到了基金委重大項目(62293521)和上海市啟明星項目(22QA1410700)等的支持。 圖1 異質集成晶圓級矽基InP襯底、器件示意圖以及矽基器件和體(ti) 材料器件性能對比 圖2 通過異質直接外延製備的矽基1.55 mm激光器在閾值電流密度以及最高工作溫度方麵的發展曆程及與(yu) 本工作的對比
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