硅基光電集成(硅光子)具有超高速、低功耗、低時延的優(yōu)勢;無需過分追求工藝尺寸的縮小。硅光產(chǎn)業(yè)今年市場規(guī)模將突破28億美元，未來可達數(shù)百億美元。

近日，第九屆國際第三代半導體論壇（IFWS）&第二十屆中國國際半導體照明論壇（SSLCHINA）在廈門國際會議中心盛大召開。期間，“半導體照明芯片，封裝及光通信技術(shù)”分會上，中國科學院半導體所副研究員伍紹騰做了“基于12英寸硅襯底的紅外鍺錫LED發(fā)光器件研究”的主題報告。

過去的二十年來，硅光子學得到了蓬勃的發(fā)展。然而，片上集成的CMOS兼容的光源仍然是一個挑戰(zhàn)。與Si間接帶隙不一樣，鍺(Ge)是一種準直接帶隙材料，其直接、間接帶隙能谷底差異僅為 0.136 eV。此外，由于為IV族材料且可直接在硅上生長，Ge近十年來逐漸成為實現(xiàn)CMOS兼容硅基光源的潛在材料。根據(jù)理論計算，通過>8% 的Sn摻雜方法，鍺將改性成為直接帶隙半導體，從而實現(xiàn)高效發(fā)光。基于此，其研究使用商業(yè)通用的RPCVD 在12英寸硅襯底上采用贗晶生長策略外延了低位錯Ge/GeSn LED外延薄膜，實現(xiàn)了整個發(fā)光材料領(lǐng)域范圍內(nèi)(包括GaN、InP等)光源器件罕見的12英寸大晶圓外延生長。由于錫摻雜降低了直接帶隙與間接帶隙的差異，該LED器件的發(fā)光強度是傳統(tǒng)鍺材料的28倍。大尺寸晶圓不僅可以大幅度提高LED外延片利用效率，并且更利于兼容成熟的硅IC設(shè)備及工藝、降低成本。該成果實驗上證實了大尺寸、低成本硅基光源的可行性。

報告中詳細分享了6-8英寸GeOI平臺鍺LED器件、12英寸硅平臺的GeSn LED器件、8英寸 GeOI平臺的GeSn垂直腔面光源器件等研究進展。其中，關(guān)于6-8英寸GeOI平臺鍺LED器件，采用直接晶圓鍵合法制備高質(zhì)量6-8英寸完整GeOI晶圓。張應變鍺器件方面，實現(xiàn)兩種兼容PIN結(jié)的外力施加應變方法;應用于探測器，L波段探測率超過商用鍺探測器2-3倍。

12英寸平臺的GeSn LED器件方面，實現(xiàn)高質(zhì)量CVD外延法6英寸GeSn生長突破，實現(xiàn)直接帶隙GeSn薄膜;與美國應用材料公司合作，實現(xiàn)12英寸硅襯底Ge/GeSn MQW單晶薄膜生長。8英寸 GeOI平臺的GeSn垂直腔面光源器件方面，設(shè)計并制備了絕緣層平臺的GeSn 垂直腔面發(fā)光器件。GeSn LED光源器件在2微米波段實現(xiàn)了8倍增強的諧振峰，未來需要加強研究實現(xiàn)硅基GeSn 電注入激光器。

作者簡介

伍紹騰，中科院高層次人才B類，中科院半導體研究所副研究員。2019-2021年期間加入新加坡南洋理工大學Tan Chuanseng教授課題組從事四族異質(zhì)集成及光電子的研究。相繼實現(xiàn)8英寸GeOI、GeSnOI晶圓，及探測率最高的Ge及GeSn紅外探測器，12英寸硅襯底的鍺基LED發(fā)光器件，及鍺基垂直腔面發(fā)光原型器件等。從2022年開始，報告人加入半導體所李樹深/駱軍委研究員課題組繼續(xù)從事四族光電材料及器件的研究。近五年來以第一作者或通訊作者共發(fā)表包括Photonics Res., ACS Photon.、Appl. Phys. Lett.、 Opt. Lett.、Opt. Express、 IEEE J. Sel. Top. Quant.等在內(nèi)的19篇光電子領(lǐng)域核心論文。另有10項申請/授權(quán)專利，包括PCT專利1項。硅基光源成果今年6月、8月、9月被知名半導體媒體Semiconductor Today連續(xù)三次?？瘓蟮馈＋@中國科學院、北京市、河南省等超過500萬項目經(jīng)費支助。