英国伦敦大学学院等高校在微电子兼容硅上生长量子点激光器

近日，英国伦敦大学学院和法国格勒诺布尔大学，声称在砷化镓（InAs/GaAs）量子点（QD）激光器中直接生长在工业兼容的标称硅（Si）（001）衬底上的第一个电泵浦连续波砷化铟，无需任何中间缓冲液[Siming Chen et al, Optics Express, vol25, p4632, 2017]。

研究人员正在寻求将激光器集成到用于基于云的应用、“大数据”服务和企业数据中心的硅光子器件中。通常使用晶片键合实现这种集成，但是单片生长预期导致复杂光电子电路的低成本、高产量和大规模集成。该团队使用金属有机化学气相沉积（MOCVD）和分子束外延（MBE）的组合。

在Si上生长GaAs和其它III-V材料的问题是反相边界的产生。这可以用离轴衬底来减轻，但是以降低与硅微电子制造/集成的兼容性为代价。研究人员使用微电子标准轴上Si（001）300mm直径晶片作为器件的衬底，MOCVD阶段涉及应用材料工具。通过在氢气中在900℃下清洗和退火以重建表面结构以促进GaAs质量来制备硅表面。退火后，在30秒内将温度降低至700℃，以在表面重建中“冻结”。

进行两步MOCVD以得到40nm 400℃-500℃GaAs和360nm 600℃-700℃GaAs层。研究人员说，硅上的400nm GaAs层是反相边界自由的。用于QD激光器结构（图1）的MBE在3英寸Veeco工具中进行，因此虚拟GaAs/Si衬底材料必须被切割以适合反应室。外延设计包括旨在阻止穿透位错进入有源区的n-InGaAs/GaAs应变层超晶格（SLS）。包覆层为Al0.4Ga0.6As，而有源区上方和下方的30nm波导区域为Al0.12Ga0.88As。

图1：在轴上Si（001）衬底上生长的QD激光器结构示意图。

“点阱”（DWELL）有源区由通过50nm GaAs间隔物隔开的五个InAs/InGaAs/GaAs点区序列组成。根据原子力显微镜法，未加盖层的点密度为约3.5×10¹⁰/cm²。这与在GaAs衬底上生长的点的3×10¹⁰/cm²相比。

该材料用于制造宽面积激光器，将台面结构湿蚀刻至有源区上方约100nm。进一步蚀刻到达n-GaAs缓冲层，钛/铂/金和镍/锗/镍/金分别用于p-和n-电极，将硅衬底减薄到120μm，然后切割成激光器条。在安装在铜散热器上的3mm长的25μm宽的器件上进行测试，金线接合用于电连接，小面未涂布。

虽然GaAs/Si和纯GaAs上器件的串联电阻相似，但与纯GaAs衬底相比，GaAs/Si的QD激光器性能下降。特别地，阈值电流密度从210A/cm²增加到425A/cm²（图2）。此外，GaAs/Si上的激光器的斜率效率降低到0.068W/A，与纯GaAs基器件的0.12W/A相比。 GaAs/Si和纯GaAs的外部量子效率分别为7.2％和12.7％。

图2：（a）在GaAs/Si（001）上生长的InAs/GaAs QD激光器与在室温下在原生GaAs衬底上生长的参考QD激光器在cw操作下的功率-电流-电压（LIV）特性比较。 （b）在cw和脉冲操作条件下在室温下在GaAs/Si（001）衬底上生长的InAs/GaAs QD激光器的LI比较。

研究人员评论说：“与在原生GaAs衬底上生长的激光器件相比，在Si（001）衬底上生长的QD激光器退化的器件性能，与传播到QD有源层中的缺陷有关。”GaAs/Si上的QD激光器的最大单面输出功率在1332A/cm²连续波注入下为43mW。脉冲操作在2kA/cm²注入时将最大值提高到134mW。

QD激光器在GaAs/Si上的cw光谱在1292nm处具有峰，在亚阈值电流密度为267A / cm 2时具有49nm全宽度半最大值（FWHM）。高于阈值时，FWHM变窄到约2.2nm。在较高电流下，光谱输出显示多个峰（即多模行为）。

温度相关的脉冲模式操作，可在高达102°C的温度下进行激光操作。“这是第一次演示QD激光器单片生长在精确的硅（001）衬底，升高到100°C，”研发团队介绍道，“连续波激光的最高温度为36℃，改进温度性能和最大输出功率的下一步将涉及降低温度灵敏度和优化从有源区域提取热量。完善的策略是实现QD的调制p-掺杂或/和将激光硬焊接到高导热性散热器。”

该团队指出，性能也下降在生产在切割硅晶片上的QD激光器，进一步优化是可能的。然而，已经实现了良好的cw性能，并且与最近在InAs/GaAs QD激光器上取得的成就相比，在本工作中报告的阈值电流密度已经减少了超过两倍具有中间GaP缓冲层的Si（001）衬底。

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