单片集成硅基量子点激光器的研究

The realization of semiconductor laser diodes on Si substrates is very important for the creation of complex optoelectronic circuits. There is an increasing interest in employing low dimensional quantum dots (QDs) for optoelectronic devices, since QDs exhibit unique electronic and optical properties. In the past project (60976015), we have fabricated the high quality InAs/InP QD lasers grown on InP substrate. Recently, we have successfully fabricated high quality InAs/GaAs QD laser on a Ge substrate. Continuous-wave lasing was achieved at room temperature. In the current project, high quality Ge/Si materials will be grown by a dual chamber molecular beam epitaxy system through optimizing growth parameters. InAs/GaAs QD structures will be grown on the Ge buffer layer. The misfit strain relaxation in lattice-mismatched heterostructures and defect formation mechanism will be investigated. The physical mechanism behind them will be explored. Si-based InAs/GaAs QD lasers will be fabricated based on the high quality QD materials. The characteristics of QD laser devices will be studied in detail. The material growth and device fabrication technique will be optimized to further improve the device characteristics. The room-temperature continuous-wave operation of 1300nm InAs/GaAs QD lasers on silicon substrate will be achieved. The project will ultimately form the basis for the monolithic integration of lasers on Si platform.

研制Si基单片集成激光器在集成光电子学发展中具有重要意义。量子点结构材料由于具有独特的光电性质，在新型光电子器件方面显示出广阔的应用前景。我们已经完成的基金项目(60976015)中在InP基衬底上制备了高质量的InAs/InP量子点激光器，最近我们又成功制备了室温连续工作的高性能Ge基InAs/GaAs量子点激光器。本项目在前面研究工作基础上，利用双生长室分子束外延设备在Si衬底上先外延生长Ge，然后再生长InAs/GaAs量子点材料，深入研究大晶格失配材料晶格弛豫及缺陷形成机理，理解其中的物理机制，通过优化条件生长出高质量的Si基InAs/GaAs量子点激光器材料。在此基础上，制备量子点激光器器件，根据器件结果的反馈，开展材料与器件关系的研究，优化材料结构和器件工艺，提高器件特性，研制出室温连续激射Si基1.3微米量子点激光器。本项目的开展将为Si基激光器的光电子集成奠定良好的基础。

近年来人们一直致力于发展把光子器件与 Si 基微电子集成到一起的光电子集成(OEIC)技术，以期实现高速率、小型化、低能耗的目的。在 Si 基微电子器件基础上集成 III-V 族光子元件是一种理想的解决 Si 基光子学的方案，这需要在同一衬底上外延生长不同性质的材料以完成不同的功能。Si 基激光器在 Si 光电子学中被认为是最重要的有源器件，潜在的市场非常巨大，但也是所有 Si 基光子元件中最难以实现的。III-V 族量子点激光器与量子阱激光器相比具有更低的阈值电流和温度依赖性，并且量子点结构相比于常规的量子阱激光器的独特优势还在于对于缺陷的不敏感以及可以滤去 APDs 和线位错的特殊能力。在有源区内相对较高的线位错密度情形下，一个线位错只能影响一个或少数量子点，而不会影响 大多数量子点，所以不会显著的影响量子点器件的性能。量子点的这些特性使得在 Ge 衬底进而在 Ge/Si 衬底上制备 III-V 族量子点激光器很值得期盼。本项目中我们研究了Ge表面GaAs缓冲层的分子束外延生长，通过优化生长条件，Ge表面GaAs晶体薄膜表面缺陷密度降低到小于106/cm2，表面粗糙度(RMS)仅为0.28nm，样品质量和GaAs同质外延结果相近，实现了Ge/Si衬底上GaAs材料的高质量外延生长。在此基础上，我们研制了高性能Ge基量子点激光器，1050nm波长的InAs量子点结构激光器表现出很好的功率输出特性，单面激光输出功率高达160mW，双面输出总功率超过300mW;有源区为InAs/InGaAs DWELL（dot-in-well）结构的激光器工作波长为1244nm，输出功率大于60mW，器件的阈值电流密度低到48A/cm2。采用高质量的Ge/Si虚拟衬底，通过优化GaAs/Ge和InAs量子点激光器结构的外延生长以及器制备工艺，获得了室温连续工作的硅基InAs量子点激光器，激光器激射波长为1210 nm，输出功率达到6mW。此外，我们还开展了低维半导体结构电子态计算等方面的研究工作。Si基室温连续工作激光器的研制成功为硅基激光器的进一步集成应用奠定了基础。