上海微系统所在硅基磷化铟异质集成片上光源方面取得重要进展

近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所异质集成XOI团队，在通讯波段硅基磷化铟异质集成激光器方面取得了重要进展。基于“离子刀”异质集成技术成功制备出高质量4英寸硅基InP单晶薄膜异质衬底（InPOS），并进一步制备了性能优异的晶圆级硅基1.55 mm通讯波段法布里-珀罗腔（FP）腔激光器，得益于高质量的硅基磷化铟单晶薄膜，器件连续波（CW）模式下单面最高输出功率达155 mW且未饱和，CW模式最高可工作至120 ℃，且阈值电流低至0.65 kA/cm⁻²，目前，在输出功率、工作温度和阈值电流密度等主要指标方面均为单片集成获得的硅基C波段FP腔激光器国际已报道的最优值。相关研究成果以“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”为题在线发表在最新一期国际顶级光学期刊Light：Science & Applications（IF=19.4）上。

硅光子学由于其和成熟、低成本互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺之间的兼容性，被认为是后摩尔时代未来光通讯最具潜力的解决方案之一，从而替代传统的铜互连。然而，由于硅的间接带隙，高效、稳定的片上集成光源是目前硅光子集成电路中最重要且亟待解决的部分。目前主流的解决方案通常是通过直接异质外延，在硅衬底上外延光电特性优异的直接带隙III-V族材料，进而制备高性能激光器作为片上光源。近年来，由于量子点（QD）对缺陷的强容忍性和高温下的热稳定性，以及其异质外延生长技术的不断发展完善，基于砷化镓（GaAs）的硅基1.3 mm-O波段InAs QD激光器已经取得了大量的进展，包括极低的阈值电流密度以及优异的器件寿命等等。

然而，除了O波段，基于InP衬底的1.55 mm-C波段激光器对于覆盖全通讯波段更为重要，包括在长距离低损耗传输、传感以及激光雷达（LiDAR）等领域的应用。相较于GaAs和Si（4%），由于磷化铟（InP）和硅之间更大的物理失配（8%），Si上外延的InP薄膜缺陷密度始终保持在10⁸量级，且InP上QD的生长结果也进展缓慢，导致目前C波段片上光源发展严重滞后。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所欧欣课题组基于离子束剥离技术，首先制备高质量大尺寸异质集成硅基InP晶圆，随后在异质集成衬底上生长1.55 mm激光器结构，从而在“异质”衬底上实现了近似“同质”外延效果的单片集成片上光源。外延后TEM中并没有观察到直接异质外延当中常见的高密度位错，且表面仍具备极低的粗糙度（0.4 nm），打破了传统异质外延中的“失配枷锁”。

基于此技术路线进而在晶圆级异质衬底上制备了高性能FP腔C波段激光器。硅基激光器在连续波模式高温条件下甚至展现出了超越体材料器件的热稳定性，更低的自热效应以及更高的工作温度，CW和Pulsed模式下的输出曲线以及激射波长红移速度对比均验证了剥离所得硅基InP薄膜质量和InP体材料的可比拟性。研究团队基于硅基InP异质衬底对C波段激光器的性能提升在用于集成光路的片上光源发展领域具有重要意义。

图1 异质集成晶圆级硅基InP衬底、器件示意图以及硅基器件和体材料器件性能对比

图2 通过异质直接外延制备的硅基1.55 mm激光器在阈值电流密度以及最高工作温度方面的发展历程及与本工作的对比

本文共同第一作者为中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士生孙嘉良、博士后林家杰，中国科学院上海微系统与信息技术研究所游天桂研究员和欧欣研究员为论文共同通讯作者。

该研究工作得到了基金委重大项目（62293521）和上海市启明星项目（22QA1410700）等的支持。

论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41377-024-01389-2

审核编辑：刘清