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(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。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(guān)鍵的科學(xué)與技術(shù)難點。Cfxesmc
近期，中科院半導(dǎo)體所材料科學(xué)重點實驗室楊濤-楊曉光團(tuán)隊在硅基外延量子點激光器及其摻雜調(diào)控方面取得重要研究進(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。采用疊層InAs/GaAs量子點結(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。上述技術(shù)與結(jié)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。Cfxesmc
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圖1 硅基外延量子點激光器結(jié)構(gòu)示意及器件前腔面的掃描電子顯微圖像。Cfxesmc
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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。Cfxesmc
相關(guān)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[https://doi.org/10.1364/OE.492096]。文章刊出兩周后，國際半導(dǎo)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。Cfxesmc
本研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目支持。Cfxesmc
責(zé)編：Elaine
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