量子点激光器：硅基光电集成技术发展的希望

由于半导体量子点具有很强的三维量子限制效应，量子点(QD)激光器展现出低阈值电流、高调制速率、高温度稳定、低线宽增强因子和高抗反射等优异性能。尤其是1.3 μm InAs/GaAs量子点激光器，在其诸多优势的基础上，还可在无制冷和无光学隔离器的条件下工作，进而大大减少成本支出、能源消耗及器件尺寸，有望成为下一代光通信及光互连等系统的重要光源。

此外，随着摩尔定律逐渐接近极限，硅基光电集成技术成为未来半导体技术发展的方向。目前，制约该技术发展的瓶颈是缺少高效的硅基光源。

面向大规模生产时，在Si衬底上直接外延III-V族材料是解决硅基光电集成缺少核心光源的理想技术方案。纳米尺度的零维量子点结构由于对位错不敏感，其特别适合制备高效Si基III-V 族半导体激光光源，因此Si基量子点激光器已成为当前半导体激光器领域的又一研究热点。

量子点材料的制备方法

量子点材料已被用于发展高性能半导体器件，包括量子点激光器、量子点光电探测器及量子点太阳能电池等。为了获得低阈值、高温度稳定和高调制速率的量子点激光器，生长高质量、高增益的量子点材料是非常关键的工作。

半导体量子点材料通常可通过三种方法获得：

1. 利用化学的方法制备水溶性的半导体量子点材料，该材料常用于量子点荧光显示及生物标示等方面。

   
   

2. 利用半导体材料的制备工艺，在量子阱材料上直接刻蚀纳米尺度的量子点材料，如图1所示。由于制备工艺过程会带来不可避免的损伤，使得此类量子点激光器的阈值电流非常大。

   

图1 刻蚀制备量子点结构的流程示意图

3. 通过SK(Stranski-Krastanow)生长模式生长自组装的量子点材料，如图2所示。SK生长模式是目前制备高质量量子点材料最常用的方法。

图2 SK 生长模式示意图

量子点材料的模式增益与量子点密度、量子点层数、波函数的交叠及光谱的非均匀展宽有密切关系。由于采用自组装方式生长量子点材料，因此优化生长条件获得高密度和高均匀的量子点材料，成为提升量子点激光器性能的重要手段。

GaAs基量子点激光器

随着SK生长模式制备量子点材料技术的不断成熟，国内外研究组在研制高性能量子点激光器方面也相应取得了突飞猛进的进展。该激光器具有低阈值电流、高温度稳定、高调制速率、抗反射特性等特性优势。

1低阈值电流

阈值电流特性是衡量半导体激光器性能的一项重要指标，更低的阈值电流可以使半导体激光器具有更低的工作电流，同时具有更低的功耗及更少的发热量。低功耗的光源对于现代光通信网络及数据中心具有极其重要的意义。

2018年，一种新型的量子点激光器掺杂方式被提出，大幅度提升了其阈值电流特性，改善了激光器的高温工作特性。这种直接掺Si的方式，可有效钝化量子点附近或内部的非辐射复合中心，提高材料质量，同时增加激光器载流子(电子)的填充。图3为利用该方法制备的量子点激光器。利用这一新型的掺杂方式进一步优化生长条件，有望进一步降低量子点激光器的阈值电流。

图3 未掺杂与Si掺杂量子点激光器功率-电流曲线对比

2高温度稳定

半导体激光器的温度特性决定了器件随温度变化的稳定性和可应用的场景。更宽的工作温度范围，可以使激光器件应用在环境温度苛刻的系统中，同时可以使激光器在无制冷的情况下工作，减少相关的温度控制部分，进而大幅度减少激光器模块的尺寸和功耗。高工作温度稳定性更是激光器良好工作的保证，也是量子点激光器一个非常令人期待的特性。

针对量子点激光器温度稳定性与理论结果相差较大的问题，有研究者提出了采用p型调制掺杂的方式来改进量子点激光器的温度稳定性，该方法已成为目前获得高温度稳定性量子点激光器最常用的方式。

3高调制速率

1.3 μm波段属于光纤通信的一个重要窗口，因此该波段激光器的调制特性具有重要意义。直接调制激光器是在激光器的电极上直接外加载波信号传输信息，可以减少外部调制器的使用，有效节约成本和空间。激光器的调制特性表征包括小信号调制和大信号调制响应特性两种方式，且两个指标都是非常重要。光通信系统中，激光器往往都是在大信号调制状态下工作，一般利用眼图测试通过套模板的方式获得大信号调制速率。

4抗反射特性

激光器出射的激光在光路系统中，会由于各种各样的外部反射而再次回到激光器腔内，这些反馈光会破坏激光器的工作状态。随着反馈光的增加，会造成激光的相对强度噪声(RIN)增加、激光线宽展宽及相干坍缩出现，严重影响光通信系统的稳定性。

因此，需要在光学系统中引进光学隔离器来减少光学反馈，但这将增加通信系统的成本和复杂性。如果激光器能展现出强的抗反射特性，则可以减少甚至完全去掉光学隔离器的使用，这将大大降低系统的封装成本及复杂度，提升系统的稳定性。

近年来的研究结果表明，量子点激光器在抗反射特性上展现出明显的优势。

5激发态及双态激射

InAs/GaAs量子点激光器因量子点的分立能级及有限的态密度，十分容易观察到双态激射的现象，即基态和激发态同时激射。2003年，研究人员首次获得了双态激射的量子点激光器，认为双态激射的行为与量子点激光器的腔长有很大关联，双态激射是在量子点有限的弛豫时间内所产生。

尽管激发态激射展现出更高的斜率效率及更大的输出功率，但更高的阈值电流密度使其难以在实际中应用。多年来，研究人员也一直试图通过提高材料增益、增加器件腔长及采取镀膜等方式来抑制激发态激光的出现。

然而，随着人们对于更高调制速率的追求，激发态激光又逐渐引起了研究人员的兴趣。与基态激光相比，激发态激光具有更高的模式增益和更短的载流子俘获时间。因此，激发态激射量子点激光器有望大幅度提高量子点激光器的调制性能。

Si基III-V族量子点激光器

目前，Si基III-V族激光器主要通过键合技术和外延生长两种方式制备。

键合技术通过键合工艺将III-V族激光器与硅衬底结合在一起，是目前工业常用的一种方案。然而，随着需求量的增加，键合技术工艺复杂、器件导热性差和成品率低等问题制约了其发展。

硅基上直接外延生长III-V族激光器被认为是未来实现硅光大规模生产的一种最可行方案。然而，由于GaAs材料与Si材料存在较大的晶格失配、极性失配和热失配，因此在外延生长过程中会出现失配位错密度高、反相畴及微裂纹等问题，进而降低器件的发光效率和使用寿命。而由于零维量子点结构对位错不敏感，且可以有效偏转或钳住缺陷以防止环路形成，对载流子进行定位，防止横向扩散或非辐射复合的特性，使得量子点激光器在近年来引起了人们极大关注。

1斜切角硅基直接外延

使用带一定角度切角的硅衬底可以有效降低反相畴的影响。

研究人员在斜切硅衬底上实现1.3 μm波段InAs/GaAs量子点激光器的室温脉冲激射和室温连续激射。之后，通过对不同腔长激光器的光损耗及可靠性进行研究，表明腔长越短的激光器老化速度越快，光损耗增加也越多。老化早期，缺陷数量的增加会增加器件内部损耗，使得激光器的阈值电流密度迅速增加，器件性能快速退化。因此，在激光器实际应用中应在尽量小的工作电流下工作。

中国科学院半导体研究所在近年来也开展了Si基和Ge基III-V族量子点激光器的研究工作，实现了Ge/Si衬底1.3 μm波段InAs/GaAs量子点激光器在室温下连续激射。此外，很多新的材料生长技术被提出，以进一步优化材料性能，如：采用AlAs成核层代替 GaAs成核层等。

2Si(001)晶向直接外延

尽管斜切Si衬底III-V族量子点激光器的性能已经得到了极大提升，然而带有切角的Si衬底与微电子行业的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺并不兼容，不利于Si基光电集成和大规模生产。

为了实现与CMOS工艺兼容，需要发展在无切角的Si(001)衬底上直接外延生长III-V族量子点激光器的技术。其中最大的挑战就是，在生长量子点结构前如何获得高质量的GaAs缓冲层。近年来，科研人员在这一方面作了大量工作，如表1所示。

值得注意的是，表1中的阈值、功率和温度数据未作特殊标注的均为室温连续电流注入条件下的测试结果。

除了采用GaP/Si(001)衬底技术，还可采用V型槽后生长GaAs缓冲层的方式制备量子点激光器，如图5。使用这两种衬底均可实现微环激光器的连续电激射。

图5  V型槽方式制备量子点激光器的结构示意图

此外，在2020年，美国UCSB的Bowers课题组采用MOCVD方法在Si(001)衬底上直接生长GaAs缓冲层的方法制备Si基量子点激光器。

2019年，通过优化材料生长条件制备出的可在101 ℃高温下连续电流注入工作的硅基量子点激光器，是目前报道的Si基量子点激光器的最高值。

半导体量子点激光器的发展展望

半导体量子点激光器在阈值电流密度、温度特性、调制速率和抗反射等方面均展现了出色的性能。1.3 μm GaAs基InAs量子点激光器分别展现出10.4 A/cm²的低阈值电流、220 ℃的高工作温度、25 Gbit/s的高调制速率等一系列优异性能，使得量子点激光器在高速光通信和高速计算机等领域具有重要作用。

同时，1.3 m Si基量子点激光器在近年来取得的显著成果，使得其在部分参数上已经接近GaAs基量子点激光器的水平，并成为硅基光电集成领域发展核心光源的重要技术手段，极大地促进光电技术的发展。

目前，量子点激光器在材料的晶体质量、量子点密度、量子点均匀性及器件设计等方面仍有很多优化空间。随着技术的发展，基于量子点激光器具有高工作温度、高温度稳定性和强抗反射的优势，工作在无制冷、无光隔离器环境下的量子点激光器，将显著减少系统的成本、功耗及体积。在不远的将来，Si基量子点激光器必将带动光电集成技术在通信、医学和军事等领域产生巨大价值。

吕尊仁1,2,张中恺1,2,王虹1,2,丁芸芸1,2,杨晓光1,2,孟磊1,2,柴宏宇1,2,杨涛1,2

1 中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室

2 中国科学院大学材料与光电研究中心

信息来源:光电汇OESHOW

本信息源自互联网仅供学术交流 如有侵权请联系我们立即删除