在硅襯底砷化鎵量子點(diǎn)激光器中電泵激1.3μm砷化銦的材料生長(zhǎng)工藝

來(lái)自日本東京大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)聲稱(chēng)首次實(shí)現(xiàn)了在硅襯底砷化鎵（GaAs）量子點(diǎn)（QD）激光器中電泵激1.3μm砷化銦（InAs）的材料生長(zhǎng)工藝，該砷化鎵襯底是利用分子束外延技術(shù)（MBE）直接生長(zhǎng)在同軸（001）硅襯底上的。

圖1為生長(zhǎng)在同軸Si（001）襯底上的InAs / GaAs QD激光器材料的示意圖

傳統(tǒng)方法

沿硅001軸生長(zhǎng)通常從金屬有機(jī)化學(xué)沉積（MOCVD）技術(shù)開(kāi)始，繼而生長(zhǎng)分子束外延量子點(diǎn)層。實(shí)現(xiàn)分子束外延技術(shù)的替代技術(shù)包括切割襯底以防止類(lèi)似于穿透位錯(cuò)（TDs），反相邊界（APB）和裂縫之類(lèi)的晶體缺陷。不幸的是，離軸硅與主流CMOS電子器件不兼容。MOCVD不能有效地過(guò)濾位錯(cuò)或產(chǎn)生高效發(fā)光的量子點(diǎn)。

意義

該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為1.3μm激光器的發(fā)展有助于推動(dòng)硅光子學(xué)“解決下一代計(jì)算的低帶寬密度和高功耗等金屬布線問(wèn)題”。

新方法

研究人員將n型襯底作為分子束外延固體源（圖1）。首先將腔室加熱至950℃進(jìn)行5分鐘的基底退火，然后通過(guò)生長(zhǎng)一系列三層300nm GaAs層結(jié)構(gòu)，隨后產(chǎn)生InGaAs / GaAs應(yīng)變超晶格，從而實(shí)現(xiàn)阻礙穿透位錯(cuò)到達(dá)量子點(diǎn)層。量子點(diǎn)區(qū)域的穿透位錯(cuò)密度約為5×107/ cm2。該團(tuán)隊(duì)指出，在沉積過(guò)程中進(jìn)行熱循環(huán)退火可能會(huì)導(dǎo)致密度更低。

對(duì)于AlGaAs層，500℃的生長(zhǎng)溫度和1.1μm/小時(shí)較高生長(zhǎng)速率避免了反相邊界，使得反相邊界在GaAs緩沖淀積物的400nm內(nèi)湮滅。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

量子點(diǎn)橫向測(cè)量約30nm，密度為5×1010/ cm2。來(lái)自該結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光具有來(lái)自在GaAs襯底上生長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)的80％的強(qiáng)度。峰值波長(zhǎng)為1250nm，半峰全寬為31meV。光譜中還可見(jiàn)1150nm（+ 86meV）的激發(fā)水平。

該材料被制造成80μm寬的廣域法布里—珀羅激光器。接觸層是金—鍺—鎳/金。襯底的背面被減薄到100μm。然后將結(jié)構(gòu)切割成2mm長(zhǎng)的激光器。鏡面被切割而不應(yīng)用高反射率涂層。

在脈沖注入下，最低激光閾值電流密度為320A / cm2。單個(gè)面的最大輸出功率超過(guò)30mW。 在25-70°C范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，激光閾值的特征溫度為51K。 在25°C時(shí)，斜率效率為0.052W / A。在連續(xù)波電流注入高達(dá)1000mA的情況下，器件不會(huì)發(fā)出激光。

圖2為脈沖注入激光器的溫度相關(guān)光輸出功率與電流曲線

研究人員表示，與生長(zhǎng)在GaAs襯底上的器件相比，生長(zhǎng)在硅片上的激光器表現(xiàn)出“輸出和熱特性等幾個(gè)特性的退化”。該團(tuán)隊(duì)希望優(yōu)化生長(zhǎng)工藝，特別是種子層，以提高激光器的性能。