矽基砷化鎵量子點雷射器有望推動光計算發展

2020-11-25 OFweek維科網

日本東京大學宣稱首次在電泵浦矽基砷化銦／砷化鎵量子點雷射器中，實現1．3微米激射波長。採用分子束外延技術在矽（001）軸上直接生長砷化鎵。

在採用分子束外延技術生長量子點層之前，通常採用金屬有機化學氣相沉積法沿矽（001）軸生長。實現分子束外延引晶技術的替代技術涉及切割襯底，避免貫穿位錯、反相邊界和裂等晶體缺陷的產生。不幸的是，離軸矽與主流基於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，或者生長有效發光的量子點。

該團隊認為1．3微米雷射器的發展有助於推動矽光子學解決低帶寬密度和高功耗等金屬布線問題，以用於下一代計算。

研究人員將n型襯底用於固體源分子束外延。首先將生長室溫度加熱至950℃，並進行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／釐米2。研究團隊指出，在薄膜沉積過程中進行熱循環退火，有助於進一步降低位錯密度。

通過將生長溫度控制在500℃，並以每小時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衝層中的400納米範圍內消失，從而避免反相邊界的產生。

量子點橫向測量約30納米，密度為5×1010／cm2。該結構的光致發光強度是在GaAs襯底上生長的結構的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毫電子伏的激發水平。

該材料被製造成80微米寬的廣域法布裡—珀羅雷射器。接觸層是金—鍺—鎳／金。襯底的背面被減薄到100微米。然後，將結構切割成2毫米長的雷射器。在不使用高反射率塗層的條件下，切割形成鏡面。

在脈衝注入下，最低的激射閾值為320安／釐米2。單個面的最大輸出功率超過30毫瓦。在25～70℃範圍內進行測量時，雷射閾值的特徵溫度為51開。在25℃時，斜率效率為0．052瓦／安。在連續波電流注入高達1000毫安的情況下，器件無法輻射雷射。

研究人員承認，與砷化鎵基雷射器相比，矽基雷射器表現出「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，以提高雷射器的性能。此次生長的矽基量子點雷射器具有砷化鎵緩衝層質量較低和臺面寬度大等缺點。研究團隊希望進一步優化生長過程，尤其是引晶層，以提高雷射器性能。此外，窄臺面寬度也能提高電流閾值和改進熱管理。

（來源：工業和信息化部電子第一研究所 作者：許文琪）

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