用于单片集成的硅基外延Ⅲ-Ⅴ族量子阱和量子点激光器研究

硅基光电子技术以光电子与微电子的深度融合为特征，是后摩尔时代的核心技术。硅基光电子芯片可以利用成熟的微电子平台实现量产，具有功耗低、集成密度大、传输速率快、可靠性高等优点，广泛应用于数据中心、通信系统等领域。除硅基激光器外，硅基光探测器、硅基光调制器等硅基光电子器件技术已经基本成熟，但作为最有希望实现低成本、大尺寸单片集成的硅基外延激光器仍然面临着诸多挑战。

据麦姆斯咨询报道，北京邮电大学信息光子学与光通信全国重点实验室的研究团队探讨了近些年国内外硅基光源的研究进展，重点介绍了研究团队在硅基外延Ⅲ-Ⅴ族量子阱和量子点激光器方面的研究进展，最后探讨了直接外延Si基Ⅲ-Ⅴ族激光器方案存在的问题和发展的方向。相关研究内容以“用于单片集成的硅基外延Ⅲ-Ⅴ族量子阱和量子点激光器研究”为题发表在《人工晶体学报》期刊上。

基于无偏角硅衬底的GaAs/Si(001)材料外延

在Si衬底上外延生长Ⅲ-Ⅴ族材料时，往往会由于Ⅳ族材料和Ⅲ-Ⅴ族材料之间存在极性失配而导致反相畴缺陷。这一缺陷是由Ⅲ-Ⅲ、Ⅴ-Ⅴ键组成的二维界面，并形成一个载流子捕获区域，减少器件中的少数载流子寿命，从而降低激光器的发光效率。近些年来，研究人员为了在Si(001)衬底上生长无反相畴的GaAs材料，提出了诸多方法。一般情况下，无偏角Si(001)衬底的主要表面结构如图1所示。通过对比表面能研究了在不同化学势下不同表面结构的热力学稳定性。

图1 无偏角Si(001)衬底的表面结构示意图

北京邮电大学研究团队采用RCA湿法清洗工艺对Si衬底进行预处理，然后应用MOCVD技术在800 mbar氢气环境下对三个Si衬底进行10 min的氢化热退火，退火温度分别为700 ℃、800 ℃和900 ℃。接着采用三步法生长了420 nm的GaAs材料。原子力显微镜（AFM）测试的样品表面形貌如图2所示。这项研究采用简单的RCA湿法清洗工艺，且无需额外的Si缓冲层。这项研究采用的氢化热退火温度较低，在无偏角Si(001)衬底上生长得到无反相畴且表面平整的高质量GaAs材料，为后续制作Si基光子器件，乃至Si基光子集成电路奠定了基础。

图2 GaAs/Si(001)材料在不同温度下退火后的AFM照片

硅基InGaAs/AlGaAs量子阱激光器材料外延

量子阱半导体激光器是一类发展成熟的激光器，具有量子效应高、温度特性好、阈值电流密度低、输出功率大、寿命长等优点。北京邮电大学研究团队利用MBE在上述GaAs/Si(001)衬底上外延生长了Si基量子阱激光器材料，如图3所示。该研究首次在无偏角Si(001)衬底上实现了直接外延Si基InGaAs/AlGaAs量子阱激光器的室温连续激射，其阈值电流密度低至867 A/cm²，该性能参数处于世界领先水平。利用上述材料结构，本研究团队制备了条形F-P腔激光器，器件结构如图4(a)所示。

图3 硅基量子阱激光器材料结构示意

图4 硅基F-P腔量子阱激光器图片

硅基InAs/GaAs量子点激光器材料外延

由于量子点具有很强的三维量子限制效应，因此对位错的容忍度较高，目前其作为有源区的硅基量子点激光器在阈值电流、温度稳定性和寿命等关键指标上均展现出优异特性，有望成为1.3 μm波段硅基光源的最终解决方案。

北京邮电大学研究团队2021年为了进一步提高Si基量子点激光器的性能，结合MOCV和MBE技术首次在上述GaAs/Si(001)衬底上引入非对称波导结构，完成了整个材料结构的生长，如图5所示，实现了无偏角Si基量子点激光器的室温连续激射。后在此基础上，研究团队制备了宽条边发射激光器结构，如图6所示。

图5 InAs/GaAs量子点激光器材料结构示意图和材料质量表征图

图6 硅基量子点激光器结构

对称负极共面电极结构硅基激光器芯片研制

Si基激光器的芯片结构对激光器的光学模式特性、微分电阻等性能有着直接影响。因此，降低Si基激光器的微分电阻是改善激光器性能的重要措施，同时也是制作高性能Si基激光器的必要条件。然而，对于Si基激光器，主要研究聚焦于通过提高外延材料质量的方式改善器件性能，很少有其他途径的报道。在此基础上，北京邮电大学研究团队以优化芯片结构和工艺流程为方向对激光器的微分电阻进行了改善，从而提高了无偏角Si基量子点激光器的光电性能。对Si基激光器而言，传统共面电极芯片结构如图7(a)所示。激光器材料结构如图8所示。采用相同外延片，分别制作两种不同的芯片结构的量子点激光器，如图9所示。

图7 激光器截面示意图和等效电路

图8 硅基量子点激光器材料结构图

图9 芯片结构图

结语与展望

综上，国内外研究团队通过抑制无偏角GaAs/Si(001)材料的反相畴和不断降低硅基激光器材料的位错密度，使硅基激光器性能得到了很大提高。实用化的硅基光源还需要解决以下问题：

（1）硅基Ⅲ-Ⅴ族激光器材料的位错密度需要进一步降低。目前，主要通过采用热循环退火方法和应变超晶格位错阻挡结构等方法，可以将2 - 3 μm厚的GaAs/Si材料的位错密度降低到10⁶ cm⁻²量级。但是，该量级的位错密度仍然严重限制了激光器工作寿命（尤其是高温可靠性）。

（2）硅基Ⅲ-Ⅴ族激光器材料的热裂纹需要有效的抑制或消除方法。热裂纹是导致硅基激光器材料损伤、芯片解理工艺失败和器件漏电失效的重要原因之一。多孔Si层和图形化衬底方案工艺更复杂，无法达到批量制备无热裂纹激光器材料的要求。

（3）硅基Ⅲ-Ⅴ族激光器还没有合适的单片集成方案。目前，国内外关于硅基激光器单片集成方案的研究比较少，主要是将Ⅲ-Ⅴ族有源材料生长在图形化绝缘体上硅（SOI）衬底上。该方案难度较大，且有一系列的工艺和结构问题（如与Si波导的光耦合问题等）还未解决。

基于上述问题，今后的研究内容可能会在以下几个方面取得重要进展：（1）采用位错疏导方案有效降低硅基激光器材料有源区的位错密度。（2）降低或消除激光器材料的热裂纹密度。（3）在图形化SOI衬底上生长激光器材料的单片集成结构中，在激光器两端面附近区域刻蚀多周期的分布式布拉格反射镜（DBR），从而实现激光的反馈和激光器的单纵模工作。（4）多波长单元的单模硅基激光阵列光源是实现实用化硅光芯片的基本条件。