基于离子切割技术的硅基高功率电驱动连续波1.55微米激光器研究

作者及发表信息
本研究由Jialiang Sun（中国科学院上海微系统与信息技术研究所国家集成电路材料重点实验室）、Jiajie Lin（嘉兴大学信息科学与工程学院）、Min Zhou等合作完成，通讯作者为Jiajie Lin、Tiangui You和Xin Ou。论文发表于*Light: Science & Applications*（2024年，第13卷，第71期），期刊由CIOMP主办，开放获取（DOI: 10.1038/s41377-024-01389-2）。

学术背景
硅光子学（Silicon Photonics）是未来光通信的核心技术，但硅的间接带隙特性限制了高效电驱动光源的集成。尽管1.3微米波段硅基量子点（Quantum Dot, QD）激光器已取得进展，但更广泛应用的1.55微米通信波段（C波段）激光器仍面临挑战。传统异质外延生长（Heteroepitaxial Growth）因InP与硅的晶格失配（8%）导致高密度位错，影响器件性能。本研究提出了一种新型“离子切割（Ion-Cutting）结合外延生长”方法，通过制备晶圆级InP-on-Si（InPOS）异质衬底，实现了高性能1.55微米硅基激光器的单片集成。

研究流程
1. InPOS衬底制备
- 离子切割技术：在2英寸InP晶圆上先后注入He⁺（115 keV, 2×10¹⁶ cm⁻²）和H⁺（75 keV, 5×10¹⁶ cm⁻²），通过表面活化键合（Surface Activated Bonding, SAB）将InP薄膜转移到高阻硅衬底，经200°C退火2小时完成剥离。
- 抛光处理：化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing, CMP）去除损伤层，表面粗糙度（RMS）低至0.17 nm（与体InP的0.16 nm相当）。

1. 外延生长

   • 结构设计：在InPOS上生长2 μm n-InP接触层、300 nm n-InP包层、5周期AlGaInAs多量子阱（MQW）有源区（6 nm阱/10 nm垒），以及p-InP包层和p-InGaAs接触层。
     
   • 质量控制：X射线衍射（XRD）显示InPOS的（004）晶面半高宽（FWHM）为112.9弧秒，虽高于体InP（39.2弧秒），但透射电镜（TEM）证实有源区无位错，选区电子衍射（SAED）显示单晶质量优异。
     

2. 器件制备与测试

   • 激光器加工：采用“顶-顶”接触方案，制备脊宽8 μm、腔长750–1750 μm的法布里-珀罗（Fabry–Pérot, FP）激光器阵列。
     
   • 性能表征：
     
     • 电学特性：阈值电流密度（Jₜₕ）低至0.65 kA/cm²（20°C连续波模式），单面输出功率达155 mW（无腔面镀膜）。
       
     • 温度稳定性：连续波（CW）模式工作温度达120°C，脉冲模式（占空比0.5%）超过130°C，特征温度（T₀）在20–85°C区间为72.8 K。
       

主要结果
1. 材料质量：InPOS衬底的PL强度达体InP的50%，MQW的PL峰半高宽为67.5 meV，与体InP（70 meV）相当，表明离子切割技术有效抑制了位错。
2. 激光性能：
- 低阈值：1.5 mm腔长器件的Jₜₕ为0.65 kA/cm²，创硅基1.55微米激光器纪录。
- 高温稳定性：120°C连续波工作温度超越此前报道的80°C（脉冲模式），归因于硅的高热导率（145 W/m·K）和低缺陷密度。
3. 波长特性：激光波长随温度红移速率为0.6085 nm/°C（45–105°C），优于直接生长于硅的同类器件。

结论与价值
本研究通过离子切割技术解决了III-V族材料与硅集成的晶格失配难题，实现了高性能1.55微米硅基激光器。其科学价值在于：
1. 方法创新：首次将离子切割与外延生长结合，为异质集成提供了新范式。
2. 应用潜力：薄缓冲层（2 μm）兼容硅光子平台，支持与波导、调制器的单片集成，推动数据中心、激光雷达（LiDAR）等应用发展。

研究亮点
1. 性能突破：Jₜₕ和输出功率达商用水平，工作温度创纪录。
2. 技术普适性：该策略可扩展至其他材料体系（如GaN、LiNbO₃），助力多功能光子集成。
3. 工艺兼容性：晶圆级制备（4英寸）符合CMOS量产需求，为硅光芯片商业化铺平道路。

其他价值
研究得到中国国家自然科学基金（62293521等）支持，相关技术已申请专利，团队正探索与SOI（Silicon-on-Insulator）平台的进一步集成。