來自日本東京大學的研究團隊聲稱首次實現了在硅襯底砷化鎵（GaAs）量子點（QD）激光器中電泵激1.3μm砷化銦（InAs）的材料生長工藝，該砷化鎵襯底是利用分子束外延技術（MBE）直接生長在同軸（001）硅襯底上的。

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

傳統方法

沿硅001軸生長通常從金屬有機化學沉積（MOCVD）技術開始，繼而生長分子束外延量子點層。實現分子束外延技術的替代技術包括切割襯底以防止類似于穿透位錯（TDs），反相邊界（APB）和裂縫之類的晶體缺陷。不幸的是，離軸硅與主流CMOS電子器件不兼容。MOCVD不能有效地過濾位錯或產生高效發光的量子點。

意義

該團隊認為1.3μm激光器的發展有助于推動硅光子學“解決下一代計算的低帶寬密度和高功耗等金屬布線問題”。

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℃進行5分鐘的基底退火，然后通過生長一系列三層300nm GaAs層結構，隨后產生InGaAs / GaAs應變超晶格，從而實現阻礙穿透位錯到達量子點層。量子點區域的穿透位錯密度約為5×107/ cm2。該團隊指出，在沉積過程中進行熱循環退火可能會導致密度更低。

對于AlGaAs層，500℃的生長溫度和1.1μm/小時較高生長速率避免了反相邊界，使得反相邊界在GaAs緩沖淀積物的400nm內湮滅。

實驗結果

量子點橫向測量約30nm，密度為5×1010/ cm2。來自該結構的光致發光具有來自在GaAs襯底上生長的結構的80％的強度。峰值波長為1250nm，半峰全寬為31meV。光譜中還可見1150nm（+ 86meV）的激發水平。

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。然后將結構切割成2mm長的激光器。鏡面被切割而不應用高反射率涂層。

在脈沖注入下，最低激光閾值電流密度為320A / cm2。單個面的最大輸出功率超過30mW。 在25-70°C范圍內進行測量時，激光閾值的特征溫度為51K。 在25°C時，斜率效率為0.052W / A。在連續波電流注入高達1000mA的情況下，器件不會發出激光。

圖2為脈沖注入激光器的溫度相關光輸出功率與電流曲線

研究人員表示，與生長在GaAs襯底上的器件相比，生長在硅片上的激光器表現出“輸出和熱特性等幾個特性的退化”。該團隊希望優化生長工藝，特別是種子層，以提高激光器的性能。