摘要：实现片上通信的光互连需要超低能耗、高性能的光源。光子晶体（PhC）纳米腔激光器是这一角色最有希望的候选人之一。在这项工作中，展示了一种连续波PhC纳米激光器，在工作在室温下其超低阈值电流为10．2 μ a，发射波长为1540 nm。该激光器是基于inp的硅（Si）键合激光器，由掩藏异质结构有源区和横向p－i－n结组成，具有CMOS兼容驱动电压和低自发热特性。载流子泄漏是横向泵注方案的一个基本限制，它被认为是InP p－i界面的不必要的自发辐射，将注入效率限制在3％，并且在更高的电流下进一步降低。实验研究了制备无序性和p掺杂吸收对Q因子的影响，结果表明p掺杂将Q因子限制在8000，p掺杂吸收系数为120 cm－1。

1介绍

信息和通信技术（ICT）蓬勃发展，提供了改变生活的服务方式，需要越来越多的数据处理、存储和通信。在过去十年中，ICT服务以指数级速度增长，预计到2030年将占全球用电量的很大一部分，因此需要新的节能解决方案。由于光通信在带宽、速度和功耗方面具有优势，并且已经通过垂直腔面发射激光器（VCSELs）用于数据中心和超级计算机的短距离通信，因此从电互连到光互连的过渡已经实现了很大的改进。将这一概念扩展到芯片和芯片上通信将改变ICT的游戏规则，然而，传统光源无法满足低功耗的要求。

光子晶体（PhC）纳米激光器已经被各个研究小组开发出来，并显示出巨大的潜力和丰富的物理性质，然而，这些研究大多局限于光泵浦，而电操作是在脉冲泵浦或低温下实现的。最近，这一陡峭性的技术障碍已经被克服，单片和非均匀集成的电泵浦PhC激光器实现了连续波室温工作。

对于片上通信，混合光子－电子集成是必不可少的，而膜光子器件是最有利的候选者，因为它具有较高的光学约束，并且易于转移到非原生衬底（如Si上的III－V）。然而，由于膜的包覆层通常是空气或绝缘体，电极应该移动到设备的一侧，这对载流子注入技术提出了新的挑战。载流子注入的两种可能是在膜外延生长过程中形成的常规垂直p－i－n结，或活性物质保持未掺杂的横向p－i－n结，而掺杂区域则通过再生长或掺杂剂的注入和扩散形成。横向掺杂虽然涉及再生长过程，但由于掺杂区域的局部化和平面加工的保留，横向掺杂更加通用。横向注入和掩埋异质结构活性区域的组合在数值上被证明是更有效的，然而，最近的演示表明，垂直掺杂纳米激光器的效率优于基于横向载流子注入的激光器。因此，了解横向p－i－n结的特性和局限性对于开发超低功耗纳米激光器和纳米LEDs至关重要。

在这项工作中，我们研究了电注入2D－PhC膜纳米激光器的特性，该激光器具有波长尺度的有源区域和横向载流子注入，并通过直接键在Si上进行非均匀集成。我们演示了PhC纳米激光器在室温下以10．2 μ a的超低阈值电流在1540 nm处发射的连续波操作。基于最先进的器件，我们研究了横向载流子注入方案在泄漏电流方面的局限性。此外，我们对被动PhC腔进行了表征，以量化无序和p掺杂吸收对激光腔质量（Q）因子的影响。研究了激光器在环境温度和自加热条件下的热特性，由于p－i界面自发发射InP的载流子泄漏，确定了低3％的注入效率。

2设计与制作

2．1设备结构

线缺陷（LD） PhC激光器的原理图如图1a所示。LD腔用于限制光子，并通过沿三角形PhC晶格方向省略一些孔来创建。活性介质由一个掩藏的异质结构（BH）组成，包含一个或三个InGaAsP／InAlGaAs QWs，它被放置在限制载流子的PhC腔内。载流子通过横向p－i－n结方案注入到黑洞区。

图1：a）激光器原理图。b）优化后L3 PhC腔基模磁场分布。c）在q因子优化之前（上）和之后（下）以对数尺度绘制的倒数空间中Ey的二维傅里叶变换。黑色实心圆圈表示光锥。d） q因子优化前（左）和优化后（右）腔体泄漏组分可视化。孔位调整分别表示为中心、第一和第二水平PhC行Si、Ti和Ui。

为了在保持高Q因子的同时获得C波段的激光波长，PhC晶格常数、半径和InP板厚分别选择为440、120和250 nm。孔半径在器件之间变化，以补偿晶圆上膜厚度的变化，并在腔共振和活性介质的光致发光峰之间提供更好的重叠。在这项工作中，空腔设计是不同长度的标准LD空腔（从均匀晶格中去除的孔）。通过调整周围孔的位置，对L3腔进行修正，提高Q因子以捕获激光。

在图1b中，通过三维时域有限差分（FDTD）方法计算了L3优化腔的基模磁场。为了实现高Q因子，位于光锥内的空间频率分量需要最小化。图1c显示了优化前后Ey场的二维傅里叶变换。通过后续傅里叶反变换在真实空间中可视化泄漏场分量并调整泄漏区域周围孔的位置，优化了Q因子。优化前后的泄漏场剖面如图1d所示。由于优化后的泄漏场被抑制，其强度必须放大100倍才能与未优化的泄漏场相当。PhC排中心、第一、第二排第i个孔的位置位移分别记为S、T、U，其值计入图中。采用这种直观的优化方法，通过调整7个PhC孔的位置，将Q因子从5000提高到1．1＊10⁶。

2．2制作工艺

以下部分描述了激光器件的制造，提供了一些加工选择的解释，并强调了制造缺陷可能对最终的激光性能产生的主要影响。图2描述了一些流程步骤。

图2：该装置的制作过程。a）在Si／SiO2晶圆上直接粘接InP晶圆。b）干式晶圆蚀刻后形成HSQ掩模保护台面结构。c） InP第二次再生后形成掩埋异质结构。d）硅离子注入后的晶片，去除用于n掺杂的DUV掩膜。e） Zn热扩散p掺杂。f）电子束光刻PhC空穴定义。g）两步干蚀刻后的晶圆。h）使用升压工艺的金属化。i） PhC结构的膜化。

掩藏异质结构、光子晶体腔和掺杂p区和n区之间的精确对齐是器件运行的基本要求。虽然黑洞和PhC空穴是用电子束光刻来定义的，但我们选择深紫外（DUV）光刻来定义掺杂区域，因为它们的整体尺寸要大得多。由于我们的DUV工具对晶圆的最小直径施加了限制，我们使用带有热氧化层的4”硅作为载体晶圆，我们直接在其上结合2”InP晶圆。在我们的洁净室设施中，由于没有合适的III － V加工设备，使用更大直径的晶圆受到很大限制。

激光器件加工从以下III－V－on－Si集成程序开始：2”InP晶圆上外延生长的蚀刻停止InGaAs和InGaAsP／InAlGaAs QW层直接用1100nm热氧化物结合到4”Si晶圆的中间部分（图2a）。薄的中间Al2O3层有助于直接结合，以提高结合强度。然后，在HCl中通过化学蚀刻去除InP衬底，在H2SO4：H2O2：H2O混合物中通过另一种化学蚀刻去除蚀刻停止层。

在实际的器件制造之前，我们在Si中形成对准标记。首先，将光刻技术与干湿蚀刻技术相结合，用于选择性地去除晶圆专用区域中的InP和SiO2。然后，电子束和DUV对准的标记通过光学接触光刻曝光，并用SF6／O2化学蚀刻到Si上。因此，电子束和DUV形成的特征之间的对准精度从根本上受到制造物理掩模的激光写入器精度的限制。对于多次电子束曝光，我们的估计表明晶圆级统计3－sigma标准偏差低于50 nm，并受到干蚀刻后对准标记的侧壁粗糙度以及晶圆应力不均匀性的限制。

在Si衬底中定义的对准标记用于通过电子束光刻将埋置的异质结构掩膜图案对准并暴露到高分辨率负色调氢硅倍半氧烷（HSQ）抗蚀剂中。外露HSQ的玻璃状特性使其能够直接作为硬掩模用于接下来的干蚀刻和外延再生步骤，而不需要两步图案转移。干式蚀刻是用HBr／CH4／Ar化学在感应耦合等离子体蚀刻机中在180°C高温下进行的。InP与QW层一起被移除到掩模保护区域之外（图2b）。这些蚀刻的InP／QW区域然后在外延选择区MOVPE再生步骤中被InP重新填充。在第一次再生之后，HSQ掩模通过HF蚀刻去除，第二次再生用于表面平面化和确定最终的III－V器件层厚度为250 nm。在第二次再生长过程中还生长了50 nm的晶格匹配InGaAs覆盖层，以实现高质量的p接触（图2c）。两个再生步骤在610°C温度下进行，在650°C下进行15分钟烘焙／去氧化步骤。尽管由于热膨胀系数不匹配，高温加工对于III－V ／Si粘结平台是一个挑战，但最终制备的InP器件层低于临界厚度，超过该厚度位错开始显著降低材料质量。我们只观察到随机分布的再生长缺陷的出现，这些缺陷很可能来自键合界面的污染部位，但不会影响在无缺陷区域制造的器件。

载流子的电注入是通过横向p－i－n掺杂结构实现的。为了进行有效的载流子注入，需要将掺杂区域高精度地对准黑洞。对准DUV步进中的Si标记，我们首先暴露一组开口，通过Si离子注入形成n型掺杂区域（图2d）。重复该过程以定义开口以形成p型掺杂区域。在这一步中，DUV掩膜被转移到SiO2硬掩膜上，通过Zn扩散实现p掺杂（图2e）。Zn掺杂剂扩散活化后，SiO2硬掩膜被完全去除，InGaAs盖被选择性去除，形成高质量的p－触点。

掺杂完成后，将光子晶体腔的掩模设计对准并暴露在电子束中。图案在两步干蚀刻过程中从电子束抗蚀剂转移到电子束步骤之前沉积的SiNx硬掩模（图2f），然后从SiNx硬掩模转移到InP层（图2g）。在这一步中，黑洞和PhC腔之间的任何不对中都会减少光学模式和增益区域之间的空间重叠，在极端情况下，空穴会腐蚀QW层，使它们暴露在空气中，这将不可避免地导致显著的非辐射表面重组。

最后，在n和p掺杂区域形成金属垫（图2h）， PhC腔通过选择性HF蚀刻底层热SiO2层进行膜化（图2i），器件制作完成。

3结果

3．1激光特性

研究了PhC激光器在室温下的静态性能。使用50×长工作距离物镜采集腔体的垂直散射光，然后将其耦合到多模光纤上，并使用光谱分析仪（OSA）进行测量。优化后的L3腔激光器的光电流和电流－电压曲线如图3a所示。图3a的插图显示了从自发发射到受激发射特征转变前后的输出功率，以及用于计算激光阈值电流的双线分段拟合。该器件具有10．2 μ A的超低阈值电流。

图3：电动L3 PhC激光器。a）采集输出功率和电压与注入电流的关系。插图显示了阈值附近区域的L－I曲线特写。b） 100 μ A注入电流下的OSA迹线。c）不同注入电流下激光的光谱演化。d）峰值波长和发射峰值线宽作为注入电流的函数。

激光是单模的，发射波长为1541纳米。在图3b，c中，显示了不同泵浦电流的频谱。在图3d中，显示了激光的光谱演变。在自发发射状态下，由于载流子填充效应，发射波长发生蓝移。在阈值以上，准费米能级被固定，波长红移是由于高光功率密度引起的加热。同样，激光的线宽在阈值处饱和，达到OSA的分辨率极限。

3．2无序和p－掺杂的影响

激光的一个重要参数是激光腔的Q因子，它量化了光子的时间限制。在Si平台上，研究了具有100万以上超高Q因子的PhC腔。然而，对于基于inp的PhC腔，制造缺陷将Q因子限制在10，000左右，直到最近才实现了100，000的里程碑。此外，还没有实验证明（据我们所知）p掺杂对PhC腔q因子的影响。

采用交叉极化共振散射光谱法对无源InP LD腔的Q因子进行了实验测量，实现了对腔内Q因子的直接测量。图4a描述了L9腔的谐振散射谱。由于反射泵浦光和离散腔模的干扰，被测信号表现出特征的范诺共振。

图4：a） L9腔的谐振散射谱。b）不同长度LD腔的模拟内禀q因子、实验内禀q因子（不掺杂）和总q因子（掺杂）。c） PhC孔的倾斜扫描电镜图像。d）被动（左）和主动（右）PhC腔。e）优化后L7腔的模拟q因子随p－掺杂距离腔中心偏移量的变化。蓝色（红色）阴影区域显示了被动（主动）腔的预期p掺杂偏移。虚线作为参考。

总的来说，激光腔的Q因子受到p掺杂区吸收的限制。我们应该注意到，尽管Q因子随着p掺杂剖面的偏移呈指数增长，但由于空穴的低迁移率，激光的注入效率将大幅下降。根据我们对LD激光器的测量，一个腔的总Q因子要超过4000才能捕获激光。

3．3热特性

用于芯片间和芯片内通信的激光器的另一个重要特性是它们在高温下的行为，特别是阈值电流的温度依赖性，这最终会影响功耗、输出功率和激光器的使用寿命。本节重点介绍了不同环境温度下的激光性能，也可用于确定室温下高注入水平下的自热大小。

通过调节级温，研究了基于一个量子阱和三个量子阱的激光器的热特性。温度通过热电冷却器（TEC）从20°C到79°C不等。标准3QW－L7激光器在四种不同散热器温度下的L－I曲线如图5a所示。激光可达到79°C，这是所使用TEC的上限。

图5：单量子阱和三量子阱PhC激光器的热特性。a）基于3qw的L7激光器在不同散热器温度下的L－I曲线。b）峰值波长与温度的函数关系。c）不同泵送水平下活动区温升情况。d）阈值电流依赖于散热器温度。

如果PhC板周围有低折射率材料，如SiO2或聚合物作为散热器，这些设备的热性能可以大大提高。

3．4注入效率－光泵和电泵的比较

限制横向掺杂二维PhC纳米激光器效率的主要影响之一是低注入效率，从先前演示的激光器数据估计为1－10％。横向掺杂几何结构为电泵浦和光泵浦提供了可能性，因此对两种泵浦方案进行了比较，以了解影响效率的限制因素。

图6a给出了1QW－L5激光器电泵浦和光泵浦的L－I－V曲线和L－L曲线。在光泵浦方案中，将1310 nm泵浦激光耦合到单模光纤上，同时使用相同的50×物镜进行泵浦和采集。对两种抽运方案的光抽运功率进行归一化处理以匹配激光阈值。然而，我们观察到，在电注入的情况下，输出功率在阈值之后要低得多。这种效应归因于注入效率随着施加电压和电流的增加而下降，并且与加热无关，因为两种泵浦方案的激光峰值的光谱演化非常相似。波长演化如图6b所示，表明阈值后的加热主要是由于循环腔内的光场，而不是欧姆加热。

图6：a） L5激光器光泵浦和电泵浦输入输出曲线比较。b）波长演化比较。c）分别拟合光泵浦和电泵浦激光I－O曲线的常规速率方程和修正速率方程。插图显示了修改后的注入效率与电动泵方案注入电流的关系。

为了进一步理解这种效应，不同泵浦条件下的激光光谱如图7a所示，揭示了高阶模式。为了提高收集效率，垂直散射光被耦合到一个多模光纤，其对准是基于最大限度地收集1544 nm的激光峰值。光纤对准中的轻微调整可以影响模式的相对强度，尽管它们的强度主要取决于q因子，并且远场模式与目标重叠。该激光器的阈值电流为35 μ a，然而，即使在5 μ a下，也能观察到高阶腔模的显著发射。高于阈值时，高阶模的发射大多被抑制，但随着外加电压和注入电流的增加，在950 nm处观察到一个峰值，这归因于InP的自发发射。

图7：a） L5激光器在不同注入电流下的实测光谱（下）和模拟光谱（上）。虚线是参考。b）实验结果与模拟结果对比表。c）由InGaAs相机拍摄的PhC激光显微镜图像。d）使用硅相机的显微镜图像。e） InP的发射剖面热图，与横向p掺杂剖面非常相似。f）激光人工着色的SEM图像，描绘了电子和空穴的流动以及量子阱和p－i界面的光子发射。g）被限制在W1波导中的黑洞活性物质横断面的人工着色SEM图像。

结构的3D－FDTD模拟频谱如图7a的上部所示。谐振峰和q因子的数值与实验值有很好的一致性，直到六激发腔模式，总结在图7b的表中。InP发射可以通过显微镜装置进行空间分辨。在图7c中，运行激光的显微镜图像是由InGaAs相机捕获的。使用Si相机观察p掺杂区域界面的光子发射，如图7d所示，表明存在显著的泄漏电流，导致注入效率较低。图7e描绘了InP电致发光的热图，清楚地勾勒出p掺杂界面。由于空穴的迁移率较低，载流子重组发生在p－i界面附近，预计将比电子的迁移率低30倍。泄漏的机理如图7f，g所示，其中电子显微照片的顶部和横断面视图被人为上色。在这些图片中，电子和空穴用蓝色和橙色箭头表示，而QW和InP光子分别用红色和蓝色波浪箭头表示。泄漏路径在垂直方向和横向方向都已确定，因此p掺杂剖面的形状和偏移量必须进行优化。

4结论

在这项工作中，我们报道了一个L3光子晶体纳米激光器在室温下的连续波电操作，其超低阈值电流为10．2μA，发射波长为1540 nm。活性材料由掩藏异质结构区域中的量子阱组成，其中载流子通过横向p－i－n结注入。详细介绍了设计方法和制备工艺。通过对InP线缺陷腔的交叉极化共振散射测量，实验定量了无序和p掺杂对Q因子的影响。将实验结果与模拟结果进行了补充，推导出p掺杂区的吸收系数为120，模态吸收为17 cm?1。因此，激光腔的Q因子估计为8000，主要是由于p掺杂吸收造成的损失。此外，实验热分析表明，在正常工作条件下，活性区域的温度升高很小，主要取决于循环光场的强度，而不是欧姆损失。然而，该阈值被表明受到热沉温度的强烈影响，其特征温度为35°，这就需要在未来的设计中采用低指数包层。通过对光泵、电泵方案的比较和激光速率方程的拟合，确定了注入效率为3％。最后，对p－i界面的InP发射进行了光谱和空间分辨，证明存在显著的泄漏电流限制了横向掺杂光子晶体纳米激光器的注入效率。