日本推出硅基砷化鎵量子點激光器 可實現(xiàn)1.3微米激射波長

日本東京大學宣稱首次在電泵浦硅基砷化銦/砷化鎵量子點激光器中，實現(xiàn)1.3微米激射波長。用分子束外延技術(shù)在硅（001）軸上直接生長砷化鎵。在采用分子束外延技術(shù)生長量子點層之前，通常采用金屬有機化學氣相沉積法沿硅（001）軸生長。實現(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、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。金屬有機化學氣相沉積無法有效過濾位錯，或者生長有效發(fā)光的量子點。

該團隊認為1.3微米激光器的發(fā)展有助于推動硅光子學解決低帶寬密度和高功耗等金屬布線問題，以用于下一代計算。研究人員將n型襯底用于固體源分子束外延。首先將生長室溫度加熱至950℃，并進行5分鐘襯底退火。通過生長3個300納米厚砷化鎵層和在砷化鎵層上生長的銦鎵砷/砷化鎵應(yīng)變超晶格，抑制貫穿位錯到達量子點層。量子點層的貫穿位錯密度為5×107/厘米2。研究團隊指出，在薄膜沉積過程中進行熱循環(huán)退火，有助于進一步降低位錯密度。通過將生長溫度控制在500℃，并以每小時1.1微米的速度高速生長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。量子點橫向測量約30納米，密度為5×1010/cm2。該結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光強度是在GaAs襯底上生長的結(jié)構(gòu)的80％。峰值波長為1250納米，半峰全寬為31毫電子伏。光譜中還可見波長為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。單個面的最大輸出功率超過30毫瓦。在25～70℃范圍內(nèi)進行測量時，激光閾值的特征溫度為51開。在25℃時，斜率效率為0.052瓦/安。在連續(xù)波電流注入高達1000毫安的情況下，器件無法輻射激光。

研究人員承認，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特性的退化”。該團隊希望優(yōu)化生長工藝，特別是種子層，以提高激光器的性能。此次生長的硅基量子點激光器具有砷化鎵緩沖層質(zhì)量較低和臺面寬度大等缺點。研究團隊希望進一步優(yōu)化生長過程，尤其是引晶層，以提高激光器性能。此外，窄臺面寬度也能提高電流閾值和改進熱管理。