上海微系統(tǒng)所硅基磷化銦異質(zhì)集成片上光源獲新突破

  近日，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所異質(zhì)集成XOI團(tuán)隊(duì)，在通訊波段硅基磷化銦異質(zhì)集成激光器方面取得了重要進(jìn)展?；凇半x子刀”異質(zhì)集成技術(shù)成功制備出高質(zhì)量4英寸硅基InP單晶薄膜異質(zhì)襯底（InPOS），并進(jìn)一步制備了性能優(yōu)異的晶圓級(jí)硅基1.55 mm通訊波段法布里-珀羅腔（FP）腔激光器，得益于高質(zhì)量的硅基磷化銦單晶薄膜，器件連續(xù)波（CW）模式下單面最高輸出功率達(dá)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(biāo)方面均為單片集成獲得的硅基C波段FP腔激光器國(guó)際已報(bào)道的最優(yōu)值。相關(guān)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”為題在線發(fā)表在最新一期國(guó)際頂級(jí)光學(xué)期刊Light：Science & Applications（IF=19.4）上，論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41377-024-01389-2。

  硅光子學(xué)由于其和成熟、低成本互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝之間的兼容性，被認(rèn)為是后摩爾時(shí)代未來(lái)光通訊最具潛力的解決方案之一，從而替代傳統(tǒng)的銅互連。然而，由于硅的間接帶隙，高效、穩(wěn)定的片上集成光源是目前硅基光子集成電路中最重要且亟待解決的部分。目前主流的解決方案通常是通過(guò)直接異質(zhì)外延，在硅襯底上外延光電特性優(yōu)異的直接帶隙III-V族材料，進(jìn)而制備高性能激光器作為片上光源。近年來(lái)，由于量子點(diǎn)（QD）對(duì)缺陷的強(qiáng)容忍性和高溫下的熱穩(wěn)定性，以及其異質(zhì)外延生長(zhǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展完善，基于砷化鎵（GaAs）的硅基1.3 mm-O波段InAs QD激光器已經(jīng)取得了大量的進(jìn)展，包括極低的閾值電流密度以及優(yōu)異的器件壽命等等。然而，除了O波段，基于InP襯底的1.55 mm-C波段激光器對(duì)于覆蓋全通訊波段更為重要，包括在長(zhǎng)距離低損耗傳輸、傳感以及激光雷達(dá)等領(lǐng)域的應(yīng)用。相較于GaAs和Si（4%），由于磷化銦（InP）和硅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(jí)，且InP上QD的生長(zhǎng)結(jié)果也進(jìn)展緩慢，導(dǎo)致目前C波段片上光源發(fā)展嚴(yán)重滯后。

  中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所歐欣課題組基于離子束剝離技術(shù)，首先制備高質(zhì)量大尺寸異質(zhì)集成硅基InP晶圓，隨后在異質(zhì)集成襯底上生長(zhǎng)1.55 mm激光器結(jié)構(gòu)，從而在“異質(zhì)”襯底上實(shí)現(xiàn)了近似“同質(zhì)”外延效果的單片集成片上光源。外延后TEM中并沒(méi)有觀察到直接異質(zhì)外延當(dāng)中常見(jiàn)的高密度位錯(cuò)，且表面仍具備極低的粗糙度（0.4 nm），打破了傳統(tǒng)異質(zhì)外延中的“失配枷鎖”。基于此技術(shù)路線進(jìn)而在晶圓級(jí)異質(zhì)襯底上制備了高性能FP腔C波段激光器。硅基激光器在連續(xù)波模式高溫條件下甚至展現(xiàn)出了超越體材料器件的熱穩(wěn)定性，更低的自熱效應(yīng)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(zhǎng)紅移速度對(duì)比均驗(yàn)證了剝離所得硅基InP薄膜質(zhì)量和InP體材料的可比擬性。研究團(tuán)隊(duì)基于硅基InP異質(zhì)襯底對(duì)C波段激光器的性能提升在用于光子集成電路的片上光源發(fā)展領(lǐng)域具有重要意義。

  本文共同第一作者為中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所博士生孫嘉良、博士后林家杰，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所游天桂研究員和歐欣研究員為論文共同通訊作者。

  該研究工作得到了基金委重大項(xiàng)目（62293521）和上海市啟明星項(xiàng)目（22QA1410700）等的支持。

  圖1 異質(zhì)集成晶圓級(jí)硅基InP襯底、器件示意圖以及硅基器件和體材料器件性能對(duì)比

  圖2 通過(guò)異質(zhì)直接外延制備的硅基1.55 mm激光器在閾值電流密度以及最高工作溫度方面的發(fā)展歷程及與本工作的對(duì)比