日本推出硅基砷化鎵量子點(diǎn)激光器 可實(shí)現(xiàn)1.3微米激射波長(zhǎng)

日本東京大學(xué)宣稱(chēng)首次在電泵浦硅基砷化銦/砷化鎵量子點(diǎn)激光器中，實(shí)現(xiàn)1.3微米激射波長(zhǎng)。用分子束外延技術(shù)在硅（001）軸上直接生長(zhǎng)砷化鎵。在采用分子束外延技術(shù)生長(zhǎng)量子點(diǎn)層之前，通常采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法沿硅（001）軸生長(zhǎng)。實(shí)現(xiàn)分子束外延引晶技術(shù)的替代技術(shù)涉及切割襯底，避免貫穿位錯(cuò)、反相邊界和裂等晶體缺陷的產(chǎn)生。不幸的是，離軸硅與主流基于CMOS電子器件不兼容。金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積無(wú)法有效過(guò)濾位錯(cuò)，或者生長(zhǎng)有效發(fā)光的量子點(diǎn)。

該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為1.3微米激光器的發(fā)展有助于推動(dòng)硅光子學(xué)解決低帶寬密度和高功耗等金屬布線問(wèn)題，以用于下一代計(jì)算。研究人員將n型襯底用于固體源分子束外延。首先將生長(zhǎng)室溫度加熱至950℃，并進(jìn)行5分鐘襯底退火。通過(guò)生長(zhǎng)3個(gè)300納米厚砷化鎵層和在砷化鎵層上生長(zhǎng)的銦鎵砷/砷化鎵應(yīng)變超晶格，抑制貫穿位錯(cuò)到達(dá)量子點(diǎn)層。量子點(diǎn)層的貫穿位錯(cuò)密度為5×107/厘米2。研究團(tuán)隊(duì)指出，在薄膜沉積過(guò)程中進(jìn)行熱循環(huán)退火，有助于進(jìn)一步降低位錯(cuò)密度。通過(guò)將生長(zhǎng)溫度控制在500℃，并以每小時(shí)1.1微米的速度高速生長(zhǎng)40納米厚鋁鎵砷引晶層，使反相邊界在沉積的砷化鎵緩沖層中的400納米范圍內(nèi)消失，從而避免反相邊界的產(chǎn)生。量子點(diǎn)橫向測(cè)量約30納米，密度為5×1010/cm2。該結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光強(qiáng)度是在GaAs襯底上生長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)的80％。峰值波長(zhǎng)為1250納米，半峰全寬為31毫電子伏。光譜中還可見(jiàn)波長(zhǎng)為1150納米、半峰全寬為86毫電子伏的激發(fā)水平。該材料被制造成80微米寬的廣域法布里—珀羅激光器。接觸層是金—鍺—鎳/金。襯底的背面被減薄到100微米。然后，將結(jié)構(gòu)切割成2毫米長(zhǎng)的激光器。在不使用高反射率涂層的條件下，切割形成鏡面。在脈沖注入下，最低的激射閾值為320安/厘米2。單個(gè)面的最大輸出功率超過(guò)30毫瓦。在25～70℃范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，激光閾值的特征溫度為51開(kāi)。在25℃時(shí)，斜率效率為0.052瓦/安。在連續(xù)波電流注入高達(dá)1000毫安的情況下，器件無(wú)法輻射激光。

研究人員承認(rèn)，與砷化鎵基激光器相比，硅基激光器表現(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。此次生長(zhǎng)的硅基量子點(diǎn)激光器具有砷化鎵緩沖層質(zhì)量較低和臺(tái)面寬度大等缺點(diǎn)。研究團(tuán)隊(duì)希望進(jìn)一步優(yōu)化生長(zhǎng)過(guò)程，尤其是引晶層，以提高激光器性能。此外，窄臺(tái)面寬度也能提高電流閾值和改進(jìn)熱管理。