硅基光電子集成芯片以成熟穩(wěn)定的CMOS工藝為基礎，將傳統(tǒng)光學系統(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，可廣泛應用于超大數(shù)據(jù)中心、5G／6G、物聯(lián)網、超級計算機、人工智能等新興領域。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)失配等問題，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解決一系列關鍵的科學與技術難點。
近期，半導體所材料科學重點實驗室楊濤－楊曉光團隊在硅基外延量子點激光器及其摻雜調控方面取得重要研究進展。該團隊采用分子束外延技術，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。采用疊層InAs／GaAs量子點結構作為有源區(qū)，并首次提出和將“p型調制摻雜＋直接Si摻雜”的分域雙摻雜調控技術應用于有源區(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，閾值電流比同結構僅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。上述技術與結果為實現(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鍵方案和核心光源。
相關研究成果以題目《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，國際半導體行業(yè)著名雜志Semiconductor Today以專欄形式報道并推薦了該項成果。
本研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等項目支持。
圖1 硅基外延量子點激光器結構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，插圖為雙摻雜調控激光器在115℃、175mA連續(xù)電流下的光譜。
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