用于單片集成的硅基外延Ⅲ-Ⅴ族量子阱和量子點(diǎn)激光器研究

硅基光電子技術(shù)以光電子與微電子的深度融合為特征，是后摩爾時代的核心技術(shù)。硅基光電子芯片可以利用成熟的微電子平臺實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，具有功耗低、集成密度大、傳輸速率快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、通信系統(tǒng)等領(lǐng)域。除硅基激光器外，硅基光探測器、硅基光調(diào)制器等硅基光電子器件技術(shù)已經(jīng)基本成熟，但作為最有希望實(shí)現(xiàn)低成本、大尺寸單片集成的硅基外延激光器仍然面臨著諸多挑戰(zhàn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，北京郵電大學(xué)信息光子學(xué)與光通信全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊探討了近些年國內(nèi)外硅基光源的研究進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了研究團(tuán)隊在硅基外延Ⅲ-Ⅴ族量子阱和量子點(diǎn)激光器方面的研究進(jìn)展，最后探討了直接外延Si基Ⅲ-Ⅴ族激光器方案存在的問題和發(fā)展的方向。相關(guān)研究內(nèi)容以“用于單片集成的硅基外延Ⅲ-Ⅴ族量子阱和量子點(diǎn)激光器研究”為題發(fā)表在《人工晶體學(xué)報》期刊上。

基于無偏角硅襯底的GaAs/Si(001)材料外延

在Si襯底上外延生長Ⅲ-Ⅴ族材料時，往往會由于Ⅳ族材料和Ⅲ-Ⅴ族材料之間存在極性失配而導(dǎo)致反相疇缺陷。這一缺陷是由Ⅲ-Ⅲ、Ⅴ-Ⅴ鍵組成的二維界面，并形成一個載流子捕獲區(qū)域，減少器件中的少數(shù)載流子壽命，從而降低激光器的發(fā)光效率。近些年來，研究人員為了在Si(001)襯底上生長無反相疇的GaAs材料，提出了諸多方法。一般情況下，無偏角Si(001)襯底的主要表面結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過對比表面能研究了在不同化學(xué)勢下不同表面結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)穩(wěn)定性。

圖1 無偏角Si(001)襯底的表面結(jié)構(gòu)示意圖

北京郵電大學(xué)研究團(tuán)隊采用RCA濕法清洗工藝對Si襯底進(jìn)行預(yù)處理，然后應(yīng)用MOCVD技術(shù)在800 mbar氫氣環(huán)境下對三個Si襯底進(jìn)行10 min的氫化熱退火，退火溫度分別為700 ℃、800 ℃和900 ℃。接著采用三步法生長了420 nm的GaAs材料。原子力顯微鏡（AFM）測試的樣品表面形貌如圖2所示。這項研究采用簡單的RCA濕法清洗工藝，且無需額外的Si緩沖層。這項研究采用的氫化熱退火溫度較低，在無偏角Si(001)襯底上生長得到無反相疇且表面平整的高質(zhì)量GaAs材料，為后續(xù)制作Si基光子器件，乃至Si基光子集成電路奠定了基礎(chǔ)。

圖2 GaAs/Si(001)材料在不同溫度下退火后的AFM照片

硅基InGaAs/AlGaAs量子阱激光器材料外延

量子阱半導(dǎo)體激光器是一類發(fā)展成熟的激光器，具有量子效應(yīng)高、溫度特性好、閾值電流密度低、輸出功率大、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。北京郵電大學(xué)研究團(tuán)隊利用MBE在上述GaAs/Si(001)襯底上外延生長了Si基量子阱激光器材料，如圖3所示。該研究首次在無偏角Si(001)襯底上實(shí)現(xiàn)了直接外延Si基InGaAs/AlGaAs量子阱激光器的室溫連續(xù)激射，其閾值電流密度低至867 A/cm2，該性能參數(shù)處于世界領(lǐng)先水平。利用上述材料結(jié)構(gòu)，本研究團(tuán)隊制備了條形F-P腔激光器，器件結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示。

圖3 硅基量子阱激光器材料結(jié)構(gòu)示意

圖4 硅基F-P腔量子阱激光器圖片

硅基InAs/GaAs量子點(diǎn)激光器材料外延

由于量子點(diǎn)具有很強(qiáng)的三維量子限制效應(yīng)，因此對位錯的容忍度較高，目前其作為有源區(qū)的硅基量子點(diǎn)激光器在閾值電流、溫度穩(wěn)定性和壽命等關(guān)鍵指標(biāo)上均展現(xiàn)出優(yōu)異特性，有望成為1.3 μm波段硅基光源的最終解決方案。

北京郵電大學(xué)研究團(tuán)隊2021年為了進(jìn)一步提高Si基量子點(diǎn)激光器的性能，結(jié)合MOCV和MBE技術(shù)首次在上述GaAs/Si(001)襯底上引入非對稱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，完成了整個材料結(jié)構(gòu)的生長，如圖5所示，實(shí)現(xiàn)了無偏角Si基量子點(diǎn)激光器的室溫連續(xù)激射。后在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊制備了寬條邊發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖5 InAs/GaAs量子點(diǎn)激光器材料結(jié)構(gòu)示意圖和材料質(zhì)量表征圖

圖6 硅基量子點(diǎn)激光器結(jié)構(gòu)

對稱負(fù)極共面電極結(jié)構(gòu)硅基激光器芯片研制

Si基激光器的芯片結(jié)構(gòu)對激光器的光學(xué)模式特性、微分電阻等性能有著直接影響。因此，降低Si基激光器的微分電阻是改善激光器性能的重要措施，同時也是制作高性能Si基激光器的必要條件。然而，對于Si基激光器，主要研究聚焦于通過提高外延材料質(zhì)量的方式改善器件性能，很少有其他途徑的報道。在此基礎(chǔ)上，北京郵電大學(xué)研究團(tuán)隊以優(yōu)化芯片結(jié)構(gòu)和工藝流程為方向?qū)す馄鞯奈⒎蛛娮柽M(jìn)行了改善，從而提高了無偏角Si基量子點(diǎn)激光器的光電性能。對Si基激光器而言，傳統(tǒng)共面電極芯片結(jié)構(gòu)如圖7(a)所示。激光器材料結(jié)構(gòu)如圖8所示。采用相同外延片，分別制作兩種不同的芯片結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)激光器，如圖9所示。

圖7 激光器截面示意圖和等效電路

圖8 硅基量子點(diǎn)激光器材料結(jié)構(gòu)圖

圖9 芯片結(jié)構(gòu)圖

結(jié)語與展望

綜上，國內(nèi)外研究團(tuán)隊通過抑制無偏角GaAs/Si(001)材料的反相疇和不斷降低硅基激光器材料的位錯密度，使硅基激光器性能得到了很大提高。實(shí)用化的硅基光源還需要解決以下問題：

（1）硅基Ⅲ-Ⅴ族激光器材料的位錯密度需要進(jìn)一步降低。目前，主要通過采用熱循環(huán)退火方法和應(yīng)變超晶格位錯阻擋結(jié)構(gòu)等方法，可以將2 - 3 μm厚的GaAs/Si材料的位錯密度降低到10? cm?2量級。但是，該量級的位錯密度仍然嚴(yán)重限制了激光器工作壽命（尤其是高溫可靠性）。

（2）硅基Ⅲ-Ⅴ族激光器材料的熱裂紋需要有效的抑制或消除方法。熱裂紋是導(dǎo)致硅基激光器材料損傷、芯片解理工藝失敗和器件漏電失效的重要原因之一。多孔Si層和圖形化襯底方案工藝更復(fù)雜，無法達(dá)到批量制備無熱裂紋激光器材料的要求。

（3）硅基Ⅲ-Ⅴ族激光器還沒有合適的單片集成方案。目前，國內(nèi)外關(guān)于硅基激光器單片集成方案的研究比較少，主要是將Ⅲ-Ⅴ族有源材料生長在圖形化絕緣體上硅（SOI）襯底上。該方案難度較大，且有一系列的工藝和結(jié)構(gòu)問題（如與Si波導(dǎo)的光耦合問題等）還未解決。

基于上述問題，今后的研究內(nèi)容可能會在以下幾個方面取得重要進(jìn)展：（1）采用位錯疏導(dǎo)方案有效降低硅基激光器材料有源區(qū)的位錯密度。（2）降低或消除激光器材料的熱裂紋密度。（3）在圖形化SOI襯底上生長激光器材料的單片集成結(jié)構(gòu)中，在激光器兩端面附近區(qū)域刻蝕多周期的分布式布拉格反射鏡（DBR），從而實(shí)現(xiàn)激光的反饋和激光器的單縱模工作。（4）多波長單元的單模硅基激光陣列光源是實(shí)現(xiàn)實(shí)用化硅光芯片的基本條件。