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

近日，第九屆國(guó)際第三代半導(dǎo)體論壇（IFWS）&第二十屆中國(guó)國(guó)際半導(dǎo)體照明論壇（SSLCHINA）在廈門國(guó)際會(huì)議中心盛大召開。期間，“半導(dǎo)體照明芯片，封裝及光通信技術(shù)”分會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)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(bào)告。

過去的二十年來，硅光子學(xué)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(gè)挑戰(zhàn)。與Si間接帶隙不一樣，鍺(Ge)是一種準(zhǔn)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(zhǎng)，Ge近十年來逐漸成為實(shí)現(xiàn)CMOS兼容硅基光源的潛在材料。根據(jù)理論計(jì)算，通過>8% 的Sn摻雜方法，鍺將改性成為直接帶隙半導(dǎo)體，從而實(shí)現(xiàn)高效發(fā)光?；诖?，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(zhǎng)策略外延了低位錯(cuò)Ge/GeSn LED外延薄膜，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)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(zhǎng)。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(qiáng)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(shí)驗(yàn)上證實(shí)了大尺寸、低成本硅基光源的可行性。

報(bào)告中詳細(xì)分享了6-8英寸GeOI平臺(tái)鍺LED器件、12英寸硅平臺(tái)的GeSn LED器件、8英寸 GeOI平臺(tái)的GeSn垂直腔面光源器件等研究進(jìn)展。其中，關(guān)于6-8英寸GeOI平臺(tái)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(yīng)變鍺器件方面，實(shí)現(xiàn)兩種兼容PIN結(jié)的外力施加應(yīng)變方法;應(yīng)用于探測(cè)器，L波段探測(cè)率超過商用鍺探測(cè)器2-3倍。

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

作者簡(jiǎn)介

伍紹騰，中科院高層次人才B類，中科院半導(dǎo)體研究所副研究員。2019-2021年期間加入新加坡南洋理工大學(xué)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(shí)現(xiàn)8英寸GeOI、GeSnOI晶圓，及探測(cè)率最高的Ge及GeSn紅外探測(cè)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(bào)告人加入半導(dǎo)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(xiàng)申請(qǐng)/授權(quán)專利，包括PCT專利1項(xiàng)。硅基光源成果今年6月、8月、9月被知名半導(dǎo)體媒體Semiconductor Today連續(xù)三次?？瘓?bào)道。獲中國(guó)科學(xué)院、北京市、河南省等超過500萬項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)支助。