量子點雷射器：矽基光電集成技術發展的希望

由於半導體量子點具有很強的三維量子限制效應，量子點(QD)雷射器展現出低閾值電流、高調製速率、高溫度穩定、低線寬增強因子和高抗反射等優異性能。尤其是1.3 μm InAs/GaAs量子點雷射器，在其諸多優勢的基礎上，還可在無製冷和無光學隔離器的條件下工作，進而大大減少成本支出、能源消耗及器件尺寸，有望成為下一代光通信及光互連等系統的重要光源。

此外，隨著摩爾定律逐漸接近極限，矽基光電集成技術成為未來半導體技術發展的方向。目前，制約該技術發展的瓶頸是缺少高效的矽基光源。

面向大規模生產時，在Si襯底上直接外延III-V族材料是解決矽基光電集成缺少核心光源的理想技術方案。納米尺度的零維量子點結構由於對位錯不敏感，其特別適合製備高效Si基III-V 族半導體雷射光源，因此Si基量子點雷射器已成為當前半導體雷射器領域的又一研究熱點。

量子點材料的製備方法

量子點材料已被用於發展高性能半導體器件，包括量子點雷射器、量子點光電探測器及量子點太陽能電池等。為了獲得低閾值、高溫度穩定和高調製速率的量子點雷射器，生長高質量、高增益的量子點材料是非常關鍵的工作。

半導體量子點材料通常可通過三種方法獲得：

1. 利用化學的方法製備水溶性的半導體量子點材料，該材料常用於量子點螢光顯示及生物標示等方面。
2. 利用半導體材料的製備工藝，在量子阱材料上直接刻蝕納米尺度的量子點材料，如圖1所示。由於製備工藝過程會帶來不可避免的損傷，使得此類量子點雷射器的閾值電流非常大。

圖1 刻蝕製備量子點結構的流程示意圖

3. 通過SK(Stranski-Krastanow)生長模式生長自組裝的量子點材料，如圖2所示。SK生長模式是目前製備高質量量子點材料最常用的方法。

圖2 SK 生長模式示意圖

量子點材料的模式增益與量子點密度、量子點層數、波函數的交疊及光譜的非均勻展寬有密切關係。由於採用自組裝方式生長量子點材料，因此優化生長條件獲得高密度和高均勻的量子點材料，成為提升量子點雷射器性能的重要手段。

GaAs基量子點雷射器

隨著SK生長模式製備量子點材料技術的不斷成熟，國內外研究組在研製高性能量子點雷射器方面也相應取得了突飛猛進的進展。該雷射器具有低閾值電流、高溫度穩定、高調製速率、抗反射特性等特性優勢。

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低閾值電流

閾值電流特性是衡量半導體雷射器性能的一項重要指標，更低的閾值電流可以使半導體雷射器具有更低的工作電流，同時具有更低的功耗及更少的發熱量。低功耗的光源對於現代光通信網絡及數據中心具有極其重要的意義。

2018年，一種新型的量子點雷射器摻雜方式被提出，大幅度提升了其閾值電流特性，改善了雷射器的高溫工作特性。這種直接摻Si的方式，可有效鈍化量子點附近或內部的非輻射複合中心，提高材料質量，同時增加雷射器載流子(電子)的填充。圖3為利用該方法製備的量子點雷射器。利用這一新型的摻雜方式進一步優化生長條件，有望進一步降低量子點雷射器的閾值電流。

圖3 未摻雜與Si摻雜量子點雷射器功率-電流曲線對比

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高溫度穩定

半導體雷射器的溫度特性決定了器件隨溫度變化的穩定性和可應用的場景。更寬的工作溫度範圍，可以使雷射器件應用在環境溫度苛刻的系統中，同時可以使雷射器在無製冷的情況下工作，減少相關的溫度控制部分，進而大幅度減少雷射器模塊的尺寸和功耗。高工作溫度穩定性更是雷射器良好工作的保證，也是量子點雷射器一個非常令人期待的特性。

針對量子點雷射器溫度穩定性與理論結果相差較大的問題，有研究者提出了採用p型調製摻雜的方式來改進量子點雷射器的溫度穩定性，該方法已成為目前獲得高溫度穩定性量子點雷射器最常用的方式。

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高調製速率

1.3 μm波段屬於光纖通信的一個重要窗口，因此該波段雷射器的調製特性具有重要意義。直接調製雷射器是在雷射器的電極上直接外加載波信號傳輸信息，可以減少外部調製器的使用，有效節約成本和空間。雷射器的調製特性表徵包括小信號調製和大信號調製響應特性兩種方式，且兩個指標都是非常重要。光通信系統中，雷射器往往都是在大信號調製狀態下工作，一般利用眼圖測試通過套模板的方式獲得大信號調製速率。

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抗反射特性

雷射器出射的雷射在光路系統中，會由於各種各樣的外部反射而再次回到雷射器腔內，這些反饋光會破壞雷射器的工作狀態。隨著反饋光的增加，會造成雷射的相對強度噪聲(RIN)增加、雷射線寬展寬及相干坍縮出現，嚴重影響光通信系統的穩定性。

因此，需要在光學系統中引進光學隔離器來減少光學反饋，但這將增加通信系統的成本和複雜性。如果雷射器能展現出強的抗反射特性，則可以減少甚至完全去掉光學隔離器的使用，這將大大降低系統的封裝成本及複雜度，提升系統的穩定性。

近年來的研究結果表明，量子點雷射器在抗反射特性上展現出明顯的優勢。

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激發態及雙態激射

InAs/GaAs量子點雷射器因量子點的分立能級及有限的態密度，十分容易觀察到雙態激射的現象，即基態和激發態同時激射。2003年，研究人員首次獲得了雙態激射的量子點雷射器，認為雙態激射的行為與量子點雷射器的腔長有很大關聯，雙態激射是在量子點有限的弛豫時間內所產生。

儘管激發態激射展現出更高的斜率效率及更大的輸出功率，但更高的閾值電流密度使其難以在實際中應用。多年來，研究人員也一直試圖通過提高材料增益、增加器件腔長及採取鍍膜等方式來抑制激發態雷射的出現。

然而，隨著人們對於更高調製速率的追求，激發態雷射又逐漸引起了研究人員的興趣。與基態雷射相比，激發態雷射具有更高的模式增益和更短的載流子俘獲時間。因此，激發態激射量子點雷射器有望大幅度提高量子點雷射器的調製性能。

Si基III-V族量子點雷射器

目前，Si基III-V族雷射器主要通過鍵合技術和外延生長兩種方式製備。

鍵合技術通過鍵合工藝將III-V族雷射器與矽襯底結合在一起，是目前工業常用的一種方案。然而，隨著需求量的增加，鍵合技術工藝複雜、器件導熱性差和成品率低等問題制約了其發展。

矽基上直接外延生長III-V族雷射器被認為是未來實現矽光大規模生產的一種最可行方案。然而，由於GaAs材料與Si材料存在較大的晶格失配、極性失配和熱失配，因此在外延生長過程中會出現失配位錯密度高、反相疇及微裂紋等問題，進而降低器件的發光效率和使用壽命。而由於零維量子點結構對位錯不敏感，且可以有效偏轉或鉗住缺陷以防止環路形成，對載流子進行定位，防止橫向擴散或非輻射複合的特性，使得量子點雷射器在近年來引起了人們極大關注。

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斜切角矽基直接外延

使用帶一定角度切角的矽襯底可以有效降低反相疇的影響。

研究人員在斜切矽襯底上實現1.3 μm波段InAs/GaAs量子點雷射器的室溫脈衝激射和室溫連續激射。之後，通過對不同腔長雷射器的光損耗及可靠性進行研究，表明腔長越短的雷射器老化速度越快，光損耗增加也越多。老化早期，缺陷數量的增加會增加器件內部損耗，使得雷射器的閾值電流密度迅速增加，器件性能快速退化。因此，在雷射器實際應用中應在儘量小的工作電流下工作。

中國科學院半導體研究所在近年來也開展了Si基和Ge基III-V族量子點雷射器的研究工作，實現了Ge/Si襯底1.3 μm波段InAs/GaAs量子點雷射器在室溫下連續激射。此外，很多新的材料生長技術被提出，以進一步優化材料性能，如：採用AlAs成核層代替 GaAs成核層等。

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Si(001)晶向直接外延

儘管斜切Si襯底III-V族量子點雷射器的性能已經得到了極大提升，然而帶有切角的Si襯底與微電子行業的互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝並不兼容，不利於Si基光電集成和大規模生產。

為了實現與CMOS工藝兼容，需要發展在無切角的Si(001)襯底上直接外延生長III-V族量子點雷射器的技術。其中最大的挑戰就是，在生長量子點結構前如何獲得高質量的GaAs緩衝層。近年來，科研人員在這一方面作了大量工作，如表1所示。

值得注意的是，表1中的閾值、功率和溫度數據未作特殊標註的均為室溫連續電流注入條件下的測試結果。

除了採用GaP/Si(001)襯底技術，還可採用V型槽後生長GaAs緩衝層的方式製備量子點雷射器，如圖5。使用這兩種襯底均可實現微環雷射器的連續電激射。

圖5 V型槽方式製備量子點雷射器的結構示意圖

此外，在2020年，美國UCSB的Bowers課題組採用MOCVD方法在Si(001)襯底上直接生長GaAs緩衝層的方法製備Si基量子點雷射器。

2019年，通過優化材料生長條件製備出的可在101 ℃高溫下連續電流注入工作的矽基量子點雷射器，是目前報導的Si基量子點雷射器的最高值。

半導體量子點雷射器的發展展望

半導體量子點雷射器在閾值電流密度、溫度特性、調製速率和抗反射等方面均展現了出色的性能。1.3 μm GaAs基InAs量子點雷射器分別展現出10.4 A/cm2的低閾值電流、220 ℃的高工作溫度、25 Gbit/s的高調製速率等一系列優異性能，使得量子點雷射器在高速光通信和高速計算機等領域具有重要作用。

同時，1.3 m Si基量子點雷射器在近年來取得的顯著成果，使得其在部分參數上已經接近GaAs基量子點雷射器的水平，並成為矽基光電集成領域發展核心光源的重要技術手段，極大地促進光電技術的發展。

目前，量子點雷射器在材料的晶體質量、量子點密度、量子點均勻性及器件設計等方面仍有很多優化空間。隨著技術的發展，基於量子點雷射器具有高工作溫度、高溫度穩定性和強抗反射的優勢，工作在無製冷、無光隔離器環境下的量子點雷射器，將顯著減少系統的成本、功耗及體積。在不遠的將來，Si基量子點雷射器必將帶動光電集成技術在通信、醫學和軍事等領域產生巨大價值。

呂尊仁1,2,張中愷1,2,王虹1,2,丁芸芸1,2,楊曉光1,2,孟磊1,2,柴宏宇1,2,楊濤1,2

1 中國科學院半導體研究所半導體材料科學重點實驗室

2 中國科學院大學材料與光電研究中心

本文改編自：呂尊仁,張中愷,王虹等.1.3 μm半導體量子點雷射器的研究進展[J].中國雷射,2020,47（7）:0701016-1

封面來源：www.chem17.com

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