硅基砷化镓及光电子器件

团队负责人:张建军

职务/职称

◆硅基砷化镓及光电子器件团队负责人

研究方向

◆采用外延生长的方式实现CMOS兼容的硅衬底上高质量III-V族材料的生长,最终解决硅基光电子技术中缺少硅基激光光源的瓶颈问题

团队成员

团队预计需求人员20人,其中外延工艺开发9人,材料表征人员2人,工艺流程管理及研发人员3人,芯片设计和测试人员4人,客户服务人员2人。目前已招聘博后1名,工程师2名。团队长期招聘以上领域优秀人才,包括正副研究员、博士后和工程师。联系方式:jjzhang@sslab.org.cn

团队简介

项目介绍

硅基光电子技术将光子、电子及光电子器件集成在硅晶圆上,满足大数据时代数据的高速度高带宽传输和光电子器件的小型化、低成本和高集成度的要求,是信息工业发展的必由之路。然而,硅基光电子技术发展的最大瓶颈是缺少CMOS工艺兼容的硅基高性能激光器,将高发光效率的直接带隙III-V族InAs/GaAs半导体材料生长在硅衬底上被认为是解决该问题的最有效方案。研究团队采用图形化的硅衬底和混合生长分子束外延技术,有效地解决了硅上生长GaAs材料时存在的晶格失配、极性失配和热失配的关键性技术难题,成功实现了硅基高质量III-V族材料的外延生长,并且完成了高性能硅基和SOI基量子点激光器的生长和制备工作。本项目以此技术为出发点,一方面提供高质量硅基InAs, GaAs和Ge材料的异质外延片,另一方面依托该技术研发满足商用要求的硅基激光器、光放大器以及光收发芯片,打造光电子领域拥有自主知识产权的“中国芯”。

项目意义

从产业链发展视角着眼,中国往往处在全球产业链的加工组装末端,缺少具有自主知识产权的核心材料和器件。这样的产业地位,即便体量很大,仍具有很高的风险。在光电子产业领域,如固态照明市场,太阳能电池市场等,中国既是全球最大的消费市场也拥有全球最大的产业链。尤其是光通信行业,中国的光通信消费市场几乎占到了全球市场的一半,全球排名前四的通信设备制造商中国占了2席。但是整个产业链上游的关键器件和芯片,特别是涉及高端激光器芯片的供应,仍然完全依赖进口。本项目旨在用自主创新的知识产权,打破目前中国光通信行业中上游核心芯片和关键器件上依赖进口的局面,在解决行业痛点,满足产品商用要求的同时,为建设完备产业链提供具有自主知识产权的核心技术。此外,项目的成功实施可做到在产业链上下游从材料到系统的不同层面,有望横向孵化基于光电子集成芯片的各种行业应用的产业集群,譬如应用于智能汽车的激光雷达、用于生化探测的高灵敏度光谱仪、应用于智慧城市的光传感网络等。

潜在市场

根据咨询机构0vum数据显示全球光通信器件市场规模总体呈增长趋势,预计2020年收入规模将达到166亿美元。产品技术看,全球主要光器件厂家均积极布局有源光芯片、器件与光模块产品,并达到100Gb/s速率及以上的水平。国内企业在无源器件、低速光收发模块等中低端细分市场占有率较高,但在高端有源器件、光模块方面的提升空间还很大。从市场占比分析,中国企业实力偏弱,全球光通信器件市场占有率前十名企业中仅有一家中国企业。

光通信器件的核心是芯片,但芯片一直是整个中国制造的短板。目前,国内25Gb/s及以上高端芯片产品的市场占有率不到5%。光通信属于全球化竞争异常激烈的产业,光纤光缆和系统设备两个领域已进入寡头竞争阶段,光通信器件领域则还处在完全竞争时代,市场份额分散。巨大的成本压力以及充满挑战的市场环境使光通信器件行业的厂商加速重组整合,国外厂商通过收购与兼并等方式不断进行产业链拓展,成功地完成技术与业务转型,使其产品覆盖光器件、光模块领域的几乎所有环节,把握产业链条的每一个环节,牢牢占据产业链的高端。因此,研发出具有中国自己知识产权的高速硅基光收发射芯片的需求已经迫在眉睫。该项目的顺利实施和完成将有效的解决这一卡脖子问题,助力国内光通讯公司摆脱国外技术制约。

研究方向

本项目的主要研究方向是采用外延生长的方式实现CMOS兼容的硅衬底上高质量III-V族材料的生长,最终解决硅基光电子技术中缺少硅基激光光源的瓶颈问题。项目的技术路线是利用IV族/III-V族双腔体混合分子束外延系统在硅图形化衬底上生长高质量、满足商用需求的硅基砷化镓异质外延片,此外还制备出高性能硅基III-V族通讯波段的FP和DFB系列量子点激光器以及光放大器,以实现单片集成高速硅光收发芯片为最终目标。具体研究内容如下:

 

图1 (a)“U”型图形化Si衬底的截面SEM图。(b)同质外延硅缓冲层后构建的具有孔洞的“V”型锯齿结构衬底的截面SEM图。(c)III-V族缓冲层外延生长结束后样品的截面SEM图。(d)8英寸Si(001)图形衬底的实物图。

 

  1. 通过 CMOS 工艺线上的深紫外步进光刻机对8英寸硅和SOI 衬底进行图形制备(如图1(d)所示),并采取干湿法混合刻蚀工艺在衬底上构造周期性 U 型光栅结构(如图1(a)所示)。在该结构上通过硅缓冲层的同质外延构造出均匀且具有(111)晶面的V 型孔洞结构(如图1(b)所示),用于III-V 族异质外延时抑制反相畴和失配位错的沿伸,同时有效释放异质外延中的热失配,并进一步外延生长高质量GaAs缓冲层结构(如图1(c)所示),从而获得高质量的硅基砷化镓异质外延片。

  2. 设计和生长硅基和SOI基1.3 μm InAs/GaAs量子点激光器结构,并利用微加工等手段完成硅基和SOI基InAs/GaAs量子点系列激光器的器件制备,测试和性能优化(功率、寿命、阈值电流密度等),最终实现满足商用要求的可集成硅基激光器。

  3. 设计和生长SOI基嵌入式通讯波段III-V族量子点激光器结构,并完成激光器器件的制备和激光器与SOI基硅波导的耦合,最终实现高速硅光收发芯片的单片集成。

  4. 硅基SiGe和Ge异质外延片的定制