低阈值电流密度单片生长在Si衬底上的连续波InAs/GaAs量子点激光二极管
低阈值电流密度单片生长在Si衬底上的连续波InAs/GaAs量子点激光二极管
一.背景介绍
近50年来，硅（产品号：S108980）微电子一直是现代信息技术的引擎。为了以更快的速度处理越来越多的数据，同时使用最小的组件，硅行业已经成功克服了许多关键问题。现代信息系统发展的下一个关键挑战是金属互连的限制[1]。超大规模集成(VLSI)电路的不断扩展，给芯片间和芯片内通信带来了挑战[1,2]。将光子学和电子学合并成一个双功能平台，使用现有硅基设施制造的光电集成电路可以克服互连问题，同时推动硅微电子超越经典的互补金属氧化物半导体（CMOS）时代[1,2]。尽管在过去的30年里，人们在硅基光产生和调制技术上付出了巨大的努力，但硅基电泵浦激光器的单片增长仍然是硅光子学的“圣杯”[3-8]。由于IV族材料的间接带隙，其发射器的激发重组过程效率相对低下，只有光泵浦激光器已被证明用于使用Si作为光学增益材料的器件[3,9]。尽管电泵浦Ge/Si激光器最近已经证明，阈值电流密度非常高（~280 kA/cm2）[10]。 III-V化合物——直接带隙半导体材料——具有强大的光子特性，可以针对在各种波长下工作的III-V发射器进行调整，同时还具备高效率、直接调制带宽和足够的光功率输出等优势，适用于许多光子应用[1,3] 。因此，III-V族化合物与Si技术的集成是一种创建光电集成电路的有吸引力的选择。迄今为止，Si衬底上III-V激光器的最佳成果是通过III-V层与硅衬底的异质键合产生的[3,11]。然而，晶圆键合方法面临许多挑战，最值得关注的是较低的产量[8]。
将III-V化合物直接外延生长在Si衬底上可以克服这些问题，但很难实现，晶格常数、微分热膨胀系数和IIIV/Si界面，导致高密度的穿透位错和反相畴，最终都会导致设备性能变差[12-14]。相比之下，Ge-on-Si (Ge/Si)作为“虚拟衬底”已成为成熟技术，可有效弥合晶格常数差距GaAs（产品号：G119227）和Si之间，由于相对较小的晶格失配 (0.08%) 以及GaAs和Ge之间的匹配热膨胀，完全混溶Ge（产品号：C105165）和Si[15-17]。在我们方法的第二个关键元素中，III-V量子点（QD）激光器已被证明具有明显低于量子阱激光器的阈值电流密度（Jth），提供室温（RT）以上的温度不敏感操作，对缺陷的灵敏度较低[18-22]。QD的特殊属性在硅光子学的III-V量子点激光器制备领域有着巨大的应用前景。因此，在Ge/Si衬底上单片生长III-V型QD激光器是解决相关问题的最佳解决方案。最近，在Ge/Si衬底上生长的InAs（产品号：I119233）/GaAs QD已被证明具有较好的效果[23,24]。尽管已经证明了1.3 μm的RT发射，但是目前还没有关于在Ge/Si 衬底上实现III-V量子点激光器的报道。在这项工作中，研究者描述了第一个基于硅基 InAs/GaAs QD 激光器的RT 连续波（cw）运行，整个体系具备较低的RT脉冲和cw阈值电流密度。
图1 Ge-on-Si衬底上的InAs/GaAs QD激光二极管的层结构
二. 晶体生长和器件制造细节
采用固体源分子束外延技术在Ge/Si衬底上制备了III-V外延材料。该装置结构如图1所示。形成Ge/Si虚衬底上，使用化学气相沉积在掺杂磷（产品号：P115437）的表面向 [111]平面倾斜6°生长了2-μm p+ Ge层（100）取向的硅衬底。Ge外延层中的位错密度约为5×106/cm2。在400℃的温度下，采用Ge/Si衬底进行氧化物脱附，然后将基板温度升至650°C并在该温度下保持20分钟。最后将Ge/Si衬底冷却至380°C以生长III-V外延层。采用Ga前层生长技术制备了GaAs缓冲层，这是基于我们最近在Ge衬底上生长高质量GaAs缓冲层的尝试，通过使用Ga（产品号：G105132）预层技术来抑制反相域的形成，从而在Ge衬底上单片生长高性能III-V QD激光器[6,25]。然后，使用交替的Ga和As4束通过迁移增强外延生长20个GaAs单层，然后2-μm p+ III-V缓冲层以1×1019/cm3的掺杂密度添加。包含五个InAs/InGaAs dot-in-well(DWELL)结构的QD激光器在GaAs衬底上的优化条件下生长，每层由3.0个InAs单层组成，最后由2nm的In0.16Ga0.85As和6nm的In0.15Ga0.85As[26]封装。45nm的GaAs势垒将五个DWELL隔开，70 nm GaAs和55 nm Al0.2Ga0.8As的外层完成了波导核心。覆层由在610°C下生长的1.5 μm Al0.4Ga0.6As组成。300-nm n+-GaAs接触层完成了生长。使用原子力显微镜 (AFM) 测量了在InAs QDs 形成后停止生长的样品。典型的AFM图像如图 2（A）所示，其中QD密度约为 3.5 × 1010/cm2。图2（B）显示横截面透射电子显微镜（TEM）激光有源区的图像，即5个InAs/InGaAs DWELL，由 45-nm GaAs 隔开间隔层。
采用标准光刻、湿法蚀刻和金属化技术制备脊波导边缘发射激光器件。形成20 μm脊后通过传统的湿法蚀刻，Ni/Ge/Au和暴露p-AlGaAs 接触层Ti/Pt/Au 接触层沉积在n-GaAs和暴露的p-AlGaAs 接触层上层，器件镜面没有使用高反射涂层。对长度为3.0毫米和3.5毫米的器件进行了条形测试。激光器件特性为在在连续波和脉冲条件下对激光器件特性进行了测试。其中，在脉冲测试中脉冲宽度占空比为1 μs和0.2%。
三. 结果与讨论
在3.5 mm长的器件中观察到最低的RT阈值电流密度。图3（A）显示了在脉冲条件下，Ge/Si衬底上3.5 mm长的QD激光器在低于和高于阈值的情况下的一系列RT自发和激光光谱。可以在大约1.29 μm的峰值波长处观察到发射，在1.29 μm的峰波长处可以观察到自发辐射，半高宽为36meV，电流30mA。在50 mA电流下，可观察到峰值波长为1.28 μm的激光发射。当注入电流增加到150 mA时，出现多模激光谱。图3（A）的主要部分显示了脉冲条件下3.5 mm长的器件的RT光输出功率对电流(L-I)的特性。在室温下，激光阈值电流为45 mA，注入电流为350 mA (ηex = 37.5%)时，最大输出功率接近93 mW，在此电流之前没有功率饱和的迹象。脉冲模式下的Jth低至 64.3A/cm2，对应于五个QD激光层中的每一个约 12.9 A/cm2。这个非常低的J值可与具有切割面的GaAs基InAs QD激光二极管的最佳报道值相关，例如39 A/cm2 用于五QD层器件[22]，32.5 A/cm2 用于三QD层器件[20]和10.5 A/cm2用于单QD层器件[21]。据我们所知，第J个64.3 A/cm2比以前报道的任何一种激光在Si上的数值都要低，例如，对III-V/Si报道的最好的RT为通过直接融合方式键合的QD激光器，其Jth值为205 A/cm2。采用外延生长的Ge/Si量子阱激光器，其RT J值为269 A/cm2[12,27]。
3.5mm长器件在cw操作下的RT光L-I特性如图所示图3（B）。从中可以看出，开启电压为~0.8 V，串联电阻为~5.0 Ω。该器件表现出比GaAs衬底InAs QD 更高的电阻特性[6]。这可以理解为线位错从Ge缓冲层向GaAs缓冲层的传播，因为缺陷密度（~5×106/cm2）远高于典型的缺陷密度值（<5×103 cm2）。器件性能可以通过在Si衬底上使用低缺陷密度的Ge缓冲层和/或位错滤层进一步提高，例如在III-V缓冲层中使用QD位错滤层[28]。
图2. (A) 在Ge/Si衬底上生长的 InAs/GaAs QD的AFM图像 (1 × 1 μm2); （B）激光有源区的横截面TEM图像，其中InAs QD由8-nm InGaAs和45-nm GaAs间隔层隔开。
对于3.5 mm长的器件，阈值电流密度最低，而对于3.0 mm长的激光二极管，阈值电流密度最高。图4（A）显示了在不同衬底温度下以脉冲模式工作的3mm长的硅基InAs/GaAs QD激光器的L-I特性。该硅基InAs/GaAs QD激光器具有84°C的最大散热片温度，特征温度T0在21°C到84 °C之间约为37K。图4（B）所示为连续工作时随温度变化的L-I，在我们的实验系统限制的最大驱动电流为300 mA时，测量了连续波输出功率。针对散热器温度实现连续波激光操作最高30°C，在12至30°C之间的T0约为23 K。这里观察到较差的T0值主要是激光状态下的空穴激发[29]和我们的高串联电阻设备造成的。需要注意的是，量子点的p型调制掺杂通过抑制空穴激发使GaAs基InAs量子点激光器的T0值增加，甚至增加到T0≈∞[18,29,30]。下一步，可以通过在这些激光器结构中使用量子点的p型调制掺杂，以及使用位错滤波器降低III-V缓冲层中的缺陷密度，提高硅基量子点激光器的温度稳定性和最大连续工作温度[14,28]。
图3 (A) 脉冲模式下的Ge/Si衬底中3.5 mm的QD激光二极管的光输出功率与电流的关系。插图显示了在阈值以下和高于阈值的不同驱动电流下InAs/GaAs QD激光器的发射光谱。(B) 在连续波条件下生长在Ge/Si衬底上的3.5 mm QD激光二极管对电流的光输出功率和对电流的电压。
随着Si微电子微缩技术接近22 nm节点，Ge外延层有望在互补金属氧化物半导体 (CMOS) 器件中取代硅作为p通道Si平台，因为Ge的空穴迁移率是Si的四倍[17]。此外，低缺陷Ge/Si基板的制备技术已经成熟，高质量的Ge/Si基板已上市[6,15,16]。在Ge/Si衬底上实现low-Jth连续波InAs/GaAs QD激光二极管，已经在将III-V光子元件集成到未来的硅微电子学进程中迈出了重要的一步。
图4. (A) 脉冲模式下，不同散热片温度下3.0 mm长的QD激光二极管对电流的光输出; (B) 连续波模式下，不同散热片温度下3.0 mm长的QD激光二极管对电流的光输出。
我们已经展示了Si基量子点激光器的第一个RT cw 操作。 在Ge/Si衬底上外延生长了标准的五层InAs/GaAs阱中点激光结构。 结果表明，对于直径为20 μm、腔长为3.5 mm或3 mm的激光二极管，脉冲RT的Jth为63.4 A/cm2，连续RT的Jth为163 A/cm2, RT输出功率为~93 mW，激光强度可达84°C。这项研究可以为长波InAs/GaAs QD激光器在Ge/Si基片上的单片集成奠定基础，并为在Ge/Si基片上集成其他III-V器件，实现III-V/Si光电集成电路铺平道路。
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