内容导读：

   Intel的科学家宣称他们使用标准的半导体硅工艺成功地生产了世界上第一台可产生连续波的硅激光器。在受到外界光源的激发时，试验的芯片产生一束连续、高品质的激光光束。这种器件将最终能够在传输指令开启或关闭芯片以及计算机的使用中扮演极为重要的角色。
    “最重要的是我们第一次揭示了依靠标准半导体硅工艺生产的器件可以用来放大光波，”Intel光子技术实验室主管Mario Paniccia说，“由于制造，装配和封装等成本的居高不下，这些不利的因素极大的制约了高品质光子器件的使用范围。这项研究迈出了将低成本，高带宽的硅光学器件引入主流市场的重要一步。”
    Intel的科学家们依靠本公司成熟的标准CMOS互补金属氧化物半导体生产工艺制造了试验用的硅光学器件。它的成功在于创造性的把一个PIN二极管（P型掺杂区/本征区/N型掺杂区二极管器件）与半导体硅激光谐振器互相结合在一起。这项发明解决了一直困扰早期光学器件的两光子湮灭效应（TPA），光子湮灭产生的这种效应会在无穷分之一秒的时间内关闭已经能够发射激光的激光器。类似1960年完成的世界上第一台激光器的设计方案，Intel的硅光学器件使用一个外部能量源（一台激光器）来提供初始能量。利用著名的拉曼效应，PIN二极管器件产生一束新的波长且持续的激光。
    在Nature杂志上发表的文章指出，根据在硅半导体中拉曼散射波导效应的模拟结果，使用硅激光器件得到纯净增益，乃至激光的一个主要的限制因素是两光子生成自由载流子的湮灭问题（FCA）。因为复合前的自由载流子拥有相对较长时间的寿命，所以在高能激发的状态下，硅半导体中的TPA（两光子湮灭效应）会产生大量的自由载流子。这些光子生成的自由载流子引入的自由载流子等离子体分散效应会带来额外的光学损失，也就是通常情况下说的光子生成自由载流子湮灭问题（FCA）。光子生成自由载流子湮灭（FCA）是相当令人困惑的难题，由于它的存在既降低了电磁辐射能也同时增加了光学损失从而减弱拉曼信号。

    为了减少光子生成自由载流子湮灭效应带来的负面影响，科学家们利用将半导体硅至于绝缘体上的SOI结构设计了低波导损失多层绝缘介质膜覆盖的排状PIN二极管。排状波导管使用标准光刻图形工艺和反应离子刻蚀技术在无掺杂SOI为衬底的（100）晶向的表面上制造而成。波导结构尺寸的设计目标是在不会引起高的传输损耗尽的前提下，尽可能采用小的横截面来降低产生激光的阈值进而减小对光学功率的需求。在硅基板上波导管由P型掺杂区和N型掺杂区构成，在两者之间有6微米的隔离带。硼和磷的注入工艺用来制作二极管的P型掺杂区和N型掺杂区。恰当的注入剂量，能量和热处理工艺使器件的表面掺杂浓度达到大约1020/cm3，同时为了减小光学模式下两个区域的互相干扰，横向扩散长度也必须尽可能的小。溅射淀积在P型和N型掺杂区的铝膜可以形成很好的欧姆接触，紧接着的二氧化硅钝化层用来保护整个器件。当一个反偏电压加在PIN二极管上时，由于外加电场的作用，TPA光子湮灭效应产生位于P型和N型掺杂区的电子-空穴对会被扫出硅波导管。因此，载流子的输运时间或者有效寿命可以通过调节反偏电压来进行控制。
    研究人员已经成功实现了边模抑制比>55 dB以及谱线线宽<80 MHz的稳定单模态激光输出。通过改变加在PIN二极管上的反偏电压进而控制激光激发的阈值，调整充能激光的波长则可以调节产生的激光的波长。
“为了把我们从半导体硅上得到的经验广泛地应用，使人类的生活更加的美好，我们正致力展开长期广泛的研究工作，”Intel资深院士和通讯技术实验室主管Kevin Kahn说，“对于硅光子项目的研究，我们的目标是把我们的半导体硅工艺引入低成本的光学器件大规模生产中，从而为高带宽的光子器件在计算机和通讯领域的普及打开方便之门。”

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来源:半导体国际 作者: 时间:2005/7/5 0:00:00