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III-V族雷射器在矽片上實現直接集成

2011-10-20

蒙彼利埃和CNRS(法國)大學的研究人員已經實現了矽襯底上直接外延一體化的一個III-V半導體鐳射二極體。

      該二極體由D' ELECTRONIQUE DU SUD研究所(IES)nanoMIR組製造,在30v的溫度上,工作在連續波(CW)模式,在2微米波長時,其發射功率是幾毫瓦。

      IES說,這項工作代表了把III-V半導體材料與器件(電晶體,雷射器,發光二極體,光電探測器)在一個矽平臺上直接集成的突破。而這一點恰恰是一些新興應用的一個先決條件,這些新興應用包括:III-V CMOS邏輯,光電積體電路,晶片上的光通信或SoC/SiP集成感測器等。

      圖:“top-top”鐳射二極體的CW L-I-V特性。右軸:不同溫度下的輸出功率vs輸入電流。左軸:在20℃時的電壓-電流曲線。插圖顯示在20℃下300毫安培連續波輸入條件下的鐳射光譜。

      目前在這一領域開展了很多研究,目的就是在矽片上集成III-V族半導體合金和器件,從而可以將這些器件的非凡的內在屬性和先進的矽技術結合起來。

      InP基器件的晶片連接(chip-bonding)技術在過去幾年有了很顯著的發展,但是目前還不清楚這項技術能不能大範圍的推廣使用。與之相反,異質外延肯定能允許大規模製造和直接集成,但它已被證明實現起來很困難,原因是晶格、熱性能和極性不匹配。IES的研究表明,銻化鎵基化合物是解決這些問題的“最佳候選人”。

      外延的結構是以分子束外延在矽襯底上。對比其他III-V/Si系統,我們已經知道,在適當的生長條件下,局限於銻化鎵/Si介面而形成的缺陷會帶來銻化鎵/Si系統中應變鬆弛的發生。這將允許在不訴諸厚或複合緩衝層的條件下實現良好的品質異質

      與他們以前的工作(演示脈衝鐳射工作原理)相比,IES小組通過增加了一個具有雙重功能的層增強了鐳射:蝕刻停止層和歐姆接觸層。

      該晶片採用“top-top”接觸配置方式加工,這樣可以避免電流通過有缺陷的銻化鎵/Si介面。在20℃時測得的開啟電壓是0.8eV,非常接近活性區域0.6eV的能帶隙。在無塗層連續波模式下測得的輸出功率是幾毫瓦。CW操作是實現高達35℃受實驗裝置限制,獲得的連續波操作模式最大到35℃。

      這些鐳射二極體的波長為2微米。但是IES集團以前演示的銻基雷射器發射波長為1.5微米∼3.3微米。他們指出目前的結果可以延伸到這一波長區域。進一步的工作將著重在這一方面,同時致力於降低光損耗,相比起同質外延雷射器,他們的光損耗還相對較高。

      這項工作的更多細節,可以讀“Continuous-wave operation above room temperature of GaSb-based laser diodes grown on Si” by Reboul et al, Applied Physics Letters, 99, 121113 (2011).


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