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硅基砷化镓量子点激光器有望推动光计算发展

导读: 日本东京大学宣称首次在电泵浦硅基砷化铟/砷化镓量子点激光器中,实现1.3微米激射波长。采用分子束外延技术在硅(001)轴上直接生长砷化镓。

日本东京大学宣称首次在电泵浦硅基砷化铟/砷化镓量子点激光器中,实现1.3微米激射波长。采用分子束外延技术在硅(001)轴上直接生长砷化镓。

在采用分子束外延技术生长量子点层之前,通常采用金属有机化学气相沉积法沿硅(001)轴生长。实现分子束外延引晶技术的替代技术涉及切割衬底,避免贯穿位错、反相边界和裂等晶体缺陷的产生。不幸的是,离轴硅与主流基于CMOS电子器件不兼容。金属有机化学气相沉积无法有效过滤位错,或者生长有效发光的量子点。

该团队认为1.3微米激光器的发展有助于推动硅光子学解决低带宽密度和高功耗等金属布线问题,以用于下一代计算。

研究人员将n型衬底用于固体源分子束外延。首先将生长室温度加热至950℃,并进行5分钟衬底退火。通过生长3个300纳米厚砷化镓层和在砷化镓层上生长的铟镓砷/砷化镓应变超晶格,抑制贯穿位错到达量子点层。量子点层的贯穿位错密度为5×107/厘米2。研究团队指出,在薄膜沉积过程中进行热循环退火,有助于进一步降低位错密度。

通过将生长温度控制在500℃,并以每小时1.1微米的速度高速生长40纳米厚铝镓砷引晶层,使反相边界在沉积的砷化镓缓冲层中的400纳米范围内消失,从而避免反相边界的产生。

量子点横向测量约30纳米,密度为5×1010/cm2。该结构的光致发光强度是在GaAs衬底上生长的结构的80%。峰值波长为1250纳米,半峰全宽为31毫电子伏。光谱中还可见波长为1150纳米、半峰全宽为86毫电子伏的激发水平。

该材料被制造成80微米宽的广域法布里—珀罗激光器。接触层是金—锗—镍/金。衬底的背面被减薄到100微米。然后,将结构切割成2毫米长的激光器。在不使用高反射率涂层的条件下,切割形成镜面。

在脉冲注入下,最低的激射阈值为320安/厘米2。单个面的最大输出功率超过30毫瓦。在25~70℃范围内进行测量时,激光阈值的特征温度为51开。在25℃时,斜率效率为0.052瓦/安。在连续波电流注入高达1000毫安的情况下,器件无法辐射激光。

研究人员承认,与砷化镓基激光器相比,硅基激光器表现出“输出和热特性等几个特性的退化”。该团队希望优化生长工艺,特别是种子层,以提高激光器的性能。此次生长的硅基量子点激光器具有砷化镓缓冲层质量较低和台面宽度大等缺点。研究团队希望进一步优化生长过程,尤其是引晶层,以提高激光器性能。此外,窄台面宽度也能提高电流阈值和改进热管理。

(来源:工业和信息化部电子第一研究所 作者:许文琪)

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