IEEE SiPhotonics2025 | 面向硅基光电子集成的低阈值InAs/InP量子点激光器研究

引言

半导体激光器是电信系统的核心组件，特别是在应用于长距离光通信的C波段（1530-1565 nm）和L波段（1565-1625 nm）波长范围内。随着人工智能发展带来的数据需求增加，对高效、硅兼容光源的需求日益迫切。在这种背景下，直接生长在硅衬底上的InAs/InP量子点（QD）激光器为光电子集成提供了理想解决方案。

研究开发了直接生长在硅衬底上的基于InP的L波段量子点激光器，用于光电子集成。这些激光器在硅衬底上C/L波段量子点激光器的发展方面展示了重要进展，突显了其作为长距离电信应用高性能半导体光源的潜力[1]。

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InAs/InP量子点激光器发展面临的挑战

基于硅的C波段和L波段InAs/InP量子点激光器作为高速、长距离光通信和眼安全光传感的优秀候选者受到关注。与传统量子阱激光器相比，这些激光器具有明显优势，包括低阈值电流密度（Jth）、温度稳定性、光反馈容忍度和超快增益恢复。

然而，尽管潜力巨大，InAs/InP量子点激光器的发展仍落后于O波段InAs/GaAs对应器件。这主要是由于材料特性和生长动力学相关的基本挑战。InAs/InP系统中约3.2%的较低晶格失配（相比于InAs/GaAs的约7.2%）导致Stranski-Krastanov生长过程中应变能较弱，从而形成尺寸分布更广的量子点。

这种非均匀性需要严格的生长优化以实现高质量、均匀的量子点，这对于充分的光学增益和低阈值电流密度非常重要。此外，InAs/InP量子点通常表现出增益不足、高阈值电流密度和有限的高温性能，进一步阻碍了其实际应用。

另一个显著挑战是由于铟原子在(001)InP衬底上的表面扩散各向异性，导致沿[11̅0]方向形成细长纳米结构或量子线。

图1. (a) 硅上InAs/InP量子点激光器的外延结构示意图。(b) 不同覆盖层的InAs/InP量子点的PL光谱。(c)和(d) 6.5 ML和6.8 ML InAs沉积的AFM图像，后者显示了高达523/μm²的点密度。

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创新生长技术

为了克服这些挑战，在分子束外延（MBE）中实施了创新方法来优化量子点生长。该技术结合了对量子点沉积厚度的精确控制和改进的铟冲洗技术，在量子点上插入了In0.359Al0.323Ga0.318As应力层。这种应力层在控制应变积累和点形态方面发挥关键作用。比较了采用应力层的不同策略，并证明使用优化生长条件制造的硅上七层量子点激光器表现出显著改善的性能。

首先，使用配备了砷和磷阀门裂解源的Veeco GEN 930 MBE系统在n型(001)InP衬底上生长了单层InAs/InP量子点结构。对于每个量子点层，在485°C下以0.42 ML/s的生长速率和18的As2/III比直接在In0.528Al0.238Ga0.234As上生长6.5或6.8单层（ML）的InAs，随后在As2压力下进行10秒的生长中断，以稳定量子点形成并减少岛尺寸分散。然后，应用改进的铟冲洗技术，在点上沉积0至2.2 nm的In0.359Al0.323Ga0.318As应力层，随后进行In0.528Al0.238Ga0.234As沉积，并在As2过压下将温度升高到515°C。这种改进的铟冲洗技术通过操控量子点周围的形态和应变确保了量子点的高质量堆叠。

然后，基于优化的量子点生长条件在硅上生长了量子点激光器结构。首先通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）使用位错过滤层生长了低缺陷密度的InP/Si模板。在此模板上，通过MBE生长了由33 nm In0.528Al0.238Ga0.234As分隔并被200 nm n型和p型In0.528Al0.238Ga0.234As及300 nm n型和p型In0.524Al0.476As包裹的七层量子点堆栈。随后通过MOCVD生长顶部p型InP包层和InGaAs接触层。七层堆栈InAs/InP量子点法布里-珀罗激光器制作了5 μm和50 μm的脊宽。脊波导使用传统光刻法定义，随后进行湿化学刻蚀并用400 nm SiO2层钝化。

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量子点优化结果

图1(c)和(d)中的原子力显微镜（AFM）图像表明，沉积厚度的增加导致形成均匀的点形状和超过520/μm²的高量子点密度。然而，即使在6.5 ML的量子点厚度下，发射波长也超出了L波段范围。通过操控In0.359Al0.323Ga0.318As应力层与量子点沉积厚度的组合，能够有效地将发射波长移至L波段，同时不降低光致发光（PL）强度。

这种改进的铟冲洗技术还有助于缓解多层量子点结构生长中的应变累积。

图2. (a) 2000 μm × 5 μm腔体硅上InAs/InP量子点激光器在脉冲注入下的温度相关电流与功率L-I曲线。(b) 50 μm腔体宽度、腔长从500 μm到2000 μm变化的硅上InAs/InP量子点激光器在脉冲注入下的电流与功率L-I曲线。

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激光器性能特征

制造的激光器在脉冲注入下（1%占空比，1 μs脉冲宽度）进行了表征，以最小化自热效应。图2(a)显示了2000 μm × 5 μm腔体InAs/InP/Si量子点激光器的温度相关光电流（L-I）曲线，该激光器可在高达100°C温度下运行。图2(b)展示了腔体宽度为50 μm、腔长从500 μm到2000 μm变化的L-I曲线。

2000 μm器件展示了1.35 kA/cm²的最低阈值电流密度（Jth），对应每层量子点的Jth为197 A/cm²。这代表了硅衬底上InAs/InP量子点激光器开发的重要成就，特别是对于L波段操作。

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意义与应用

成功展示具有L波段发射的硅上低阈值InAs/InP量子点激光器对电信和硅基光电子技术具有重要意义。这些激光器满足了高效、温度稳定的光源需求，可以直接与硅光子线路集成。

总结来说，展示了在硅上发射L波段的高性能InAs/InP量子点激光器，具有改进的量子点密度和高均匀性。这些硅上量子点激光器作为硅基光电子集成平台中的光源表现出良好潜力。

这里报告的成就代表了朝向实际部署用于电信应用的硅基光电子集成线路的重要一步。通过优化生长过程并实施带有精心设计应力层的改进铟冲洗技术，克服了多个先前限制InAs/InP量子点激光器性能的基本挑战。

随着人工智能和其他数据密集型应用的进步导致数据需求持续增加，这些硅上低阈值、高温InAs/InP量子点激光器将在实现下一代用于长距离光通信和眼安全光传感应用的光电子集成线路中发挥关键作用。

参考文献

[1] H. Jia, J.-S. Park, H. Zeng, J. Yuan, J. Li, Y. Wang, S. Liu, C. Chen, C. Dear, H. Deng, M. Martin, Q. Li, T. Baron, M. Tang, A. Seeds, and H. Liu, "Low threshold InAs/InP quantum dot lasers on Si," in IEEE SiPhotonics, 2025.

END