硅基光电子平台上量子点分布式布拉格反射器激光器的单片集成
引言III-V族半导体激光器直接集成到硅基光电子平台上代表了现代光电子学领域的重要技术进步。这一技术突破解决了在数据通信应用中创建可扩展、成本效益高的光源这一基本挑战，同时充分利用现有的硅基代工基础设施。本文探讨通过凹槽内异质外延技术在硅基光电子平台上单片集成量子点分布式布拉格反射器激光器的方法。
1理解集成挑战硅基光电子技术已成为大批量光通信器件的主导平台，这得益于与成熟的CMOS制造工艺的兼容性。然而，硅的间接带隙特性使其不适合高效光发射，因此需要集成具有激光器工作所需直接带隙的III-V族化合物半导体。挑战在于硅和III-V族材料之间的基本材料失配，包括晶格常数和热膨胀系数的差异，这些差异会产生穿透位错和失配位错，降低器件性能。图1: 集成量子点激光器系统的综合视图，显示了(a)在测试条件下与硅基光电子耦合的完整4mm III-V族增益介质，(b)说明脊型结构和硅基光电子集成的示意截面图，(c)激光器脊在60°倾斜下的SEM截面图，(d)1310nm下的光学模式仿真，(e)BCB间隙填充后端面在30°倾斜下的SEM图像，BCB用蓝色突出显示，以及(f)硅基光电子路径的详细视图，包括氮化硅输入波导、硅环、氮化硅DBR和输出波导。
凹槽激光器策略为这些挑战提供了优雅的解决方案，通过在硅基光电子晶圆内创建选择性生长区域。这种方法涉及在二氧化硅包层中蚀刻矩形凹槽以暴露下层硅衬底，为III-V族异质外延生长创建隔离区域，同时保持晶圆表面的大部分用于传统硅基光电子处理。
2两步生长过程制造过程始于使用标准代工工艺在300mm绝缘体上硅晶圆上创建硅基光电子器件。创新的两步生长方法结合了金属有机化学气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)技术，以实现优异的材料质量和优化的耦合几何结构。首先，MOCVD生长GaP种子层，随后生长具有热循环退火和应变层超晶格的GaAs/InGaAs缓冲层以减少缺陷。随后，MBE沉积激光器堆栈，具有非对称AlGaAs光学包层和包含嵌入在InGaAs量子阱中的InAs量子点的有源区。图2: 凹槽生长激光器材料的光致发光光谱，比较在室温下测量的5-QD和7-QD层有源区，插图显示完整III-V族堆栈结构的HAADF-STEM截面图。
量子点有源区代表了这种集成方法中的关键创新。与传统的量子阱结构不同，量子点由于其三维载流子约束而表现出显着的缺陷容忍性，使其非常适合在非原生衬底上进行异质外延生长。有源区采用每个量子点五个空穴的调制掺杂，有源区周围的InGaAs俘获层最大限度地减少失配位错的存在。
3热性能增强这项工作中展示的重要进展涉及通过有源区工程增强热性能。五层和七层量子点结构之间的比较揭示了工作温度范围的显着改善。虽然具有五个量子点层的器件仅达到60°C的最大激光温度，但具有七层的器件可实现高达105°C的工作温度，这代表了在代工处理的硅基光电子模板上生长的凹槽器件报告的最高温度。图3: 连续波温度相关光电流测量，比较具有5-QD和7-QD有源区的集成器件，显示7-QD设计达到105°C工作的优异热性能，插图显示从阈值电流拟合得出的特征温度T₀计算。
特征温度T₀也显示出七层设计的显着改善，表明在工作温度范围内阈值电流的增强热稳定性。这种热性能增强直接转化为改善的可靠性和在高温环境中工作的集成光子系统更广泛的应用潜力。
4耦合优化单片集成的成功根本上取决于在III-V族增益介质和硅基光电子波导之间实现高效光耦合。两步生长过程创建了约3微米的减小斜坡尺寸，相比之前通常产生超过5微米斜坡的MBE主导方法。这种减小通过最小化激光器端面和氮化硅波导之间的空气间隙显着改善了耦合效率。图4: 激光器到波导耦合的详细分析，显示(a)具有双芯氮化硅波导输入耦合器的耦合区域的FDTD仿真和(b)制造的耦合区域在52°倾斜下的FIB-SEM截面图，演示了用BCB材料填充的3μm蚀刻间隙。
苯并环丁烯(BCB)间隙填充技术的实施代表了耦合优化的另一个重要进展。BCB的折射率为1.56，与空气间隙相比提供了优异的光学约束，减少了光束发散并使氮化硅输入锥形器能够更有效地收集光线。实验测量表明，与空气间隙配置相比，BCB间隙填充将耦合损耗降低了多达7.3dB，尽管由于面镜反射率降低，这种改善伴随着热性能的权衡。
5器件性能和可靠性这些单片集成量子点激光器的可靠性特征证明了其在实际应用中的可行性。在250mA电流和35°C环境温度下进行的770小时长期老化测试显示，推测器件寿命可达6.2年。这种性能与均匀分布在整个器件区域的3.0×10⁷cm⁻²的穿透位错密度直接相关，证实材料质量仍然是器件寿命的主要限制因素。图5: 在250mA和35°C连续波老化期间13个解理面激光器的阈值电流退化分析，功率律拟合线(a×t^b)演示器件寿命外推方法和可靠性评估。
在电信O波段的工作特性表现出优异的光谱特性，根据注入电流，基态激光在1285nm至1315nm之间发生。光致发光测量中37-42meV的窄半高全宽值表明凹槽生长量子点的高度均匀性，转化为器件制造后的稳定激光特性。
6先进DBR集成通过与分布式布拉格反射器结构集成展示单模工作代表了硅基光电子集成的重要里程碑。使用801周期氮化硅光栅的简单DBR配置实现87%的总反射率和298GHz光谱宽度，在1307nm波长处实现26dB的边模抑制比。图6: 简单DBR激光器演示，显示(a)III-V族增益区域耦合到两侧氮化硅DBR的示意图和(b)在20°C和500mA下的光谱，显示具有26dB边模抑制比的单模工作，插图显示宽扫描。
结合硅环谐振器耦合到多个DBR结构的更复杂架构实现了更高的性能指标。环耦合DBR激光器设计具有四个硅环谐振器，加载Q因子为30,500，自由光谱范围为1.1THz，每个都耦合到单独设计的氮化硅DBR。这种配置产生达到32dB的边模抑制比，洛伦兹线宽为5.67MHz，展示了通过热光或电光调谐机制进行波长选择工作的潜力。图7: 先进的环耦合DBR激光器，显示(a)III-V族增益区域耦合到氮化硅和硅波导、四个硅环谐振器和氮化硅DBR的示意设计和(b)在20°C和300mA下的光谱，展示异常的32dB边模抑制比，插图中显示宽扫描。
7未来影响和应用在硅基光电子平台上成功演示单片集成量子点DBR激光器代表了电信行业的重要成就。这项技术能够使用成熟的300mm代工工艺生产复杂的光通信系统，在改善器件密度和性能的同时大幅降低制造成本。集成多个环谐振器与单独调谐DBR结构的能力为波分复用应用和可重构光网络提供了途径。
当考虑到结晶III-V族材料仅占总晶圆表面积的不到5%，大部分专用于无源硅基光电子器件时，可扩展性优势变得特别明显。这种效率实现了包含数十或数百个单独激光源以及复杂路由、交换和检测组件的复杂光电子集成芯片的成本效益生产。
展望未来，凹槽激光器技术、优化的两步生长工艺和先进耦合技术的结合为下一代光电子集成芯片提供了坚实的基础。展示的可靠性特征，在实际工作温度下推测寿命超过六年，证实了该技术在要求苛刻的电信应用中商业部署的准备就绪。随着行业继续推向更高的数据速率和更复杂的光网络，这种单片集成方法提供了满足未来连接需求所必需的可扩展性和性能特征。
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