基于全分子束外延技术在V型槽硅（001）衬底上实现高性能InAs/GaAs量子点激光器的高温稳定运行

《physica status solidi (a)– applications and materials science》：High-Temperature Operation of All-Molecular Beam Epitaxy InAs/GaAs Quantum Dot Lasers on V-Grooved Si (001)

这篇综述报道了一种采用一步全分子束外延（MBE）方法在V型槽硅（001）衬底上直接集成高性能、热稳定InAs/GaAs量子点（QD）激光器的突破性进展。通过优化V型槽结构完整性、腔面质量和腔体几何，器件实现了高达150°C（脉冲）和70°C（连续波）的最高工作温度，为低成本、可扩展的单片硅光子学光源集成提供了一条切实可行的技术路线。

　　

引言

硅（Si）光子学对下一代光互连和通信至关重要，但硅的间接带隙特性使其难以成为高效、可靠的片上光源。自组装InAs/GaAs量子点（QD）激光器直接生长在与互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的硅（001）衬底上，因其低阈值、温度不敏感操作以及对晶体缺陷的强耐受性，成为一种有前景的解决方案。然而，在硅上异质外延III-V族材料会产生多种晶体缺陷，如穿线位错（Threading Dislocation）、反相边界（Antiphase Boundaries， APBs）和热裂纹，阻碍了高性能单片光源的实现。特别是APBs的存在会损害激光器性能，甚至完全抑制激光发射。因此，实现无APB的III-V族异质外延是前提。

现有的高性能解决方案主要依赖于混合生长方案，例如使用GaP/Si、GaAs/Si或GaAs/V型槽硅等虚拟衬底模板，但这些方法成本高且限制了可扩展性。因此，实现一步生长的高性能InAs/GaAs QD激光器对于开启实用、低成本的集成路径至关重要。在各种方法中，V型槽单步生长法因其独特的几何结构可以消除APB，且无需硅同质外延，成为一种有前途的替代方案。

结果与讨论

材料生长与结构特性

研究通过优化生长条件，显著改进了材料质量。插图2, showing a smooth, antiphase boundary (APB)-free morphology.">显示了材料的生长结构和表征。关键优化是将热脱氧温度从之前的1000°C降至900°C，有效抑制了硅表面质量传输，从而保留了尖锐的V型槽尖端和{111}晶面几何形状，这对于有效捕获缺陷至关重要。扫描电镜（SEM）图像证实了生长后V型槽图案的完好保留。

通过应用8周期热循环退火（Thermal Cycle Annealing， TCA），穿线位错密度（Threading Dislocation Density， TDD）从之前的1.02 × 10⁹cm^?2降低至2.67 × 10⁸cm^?2，降低近一个数量级。原子力显微镜（Atomic Force Microscopy， AFM）表征显示表面粗糙度为3.93 nm，且没有与APB相关的深沟，证实了在V型槽硅上实现了高质量的无APB GaAs缓冲层。插图2 AFM image of the uncapped InAs QDs, revealing a high dot density of 4?×?10¹⁰?cm^?2.">展示了室温（Room-Temperature， RT）光致发光光谱，InAs QDs的发射峰位于1279 nm，半高全宽仅为33 meV，表明量子点尺寸均匀性极佳。插图中的AFM图像显示未覆盖InAs QDs的密度高达4 × 10¹⁰cm^?2，平均高度为7.28 nm，尺寸均匀性好。

器件优化与高温性能

在优化后的GaAs缓冲层上，生长了包含p型调制掺杂的8层堆叠InAs/GaAs QD激光器结构。p型掺杂策略对于高温性能至关重要，因为它可以补偿价带中的热空穴展宽，从而抑制高温下的增益退化。

器件结构示意图和腔面质量优化是成功的关键。插图对比了不同解理方向的结果。在之前的工作中，垂直于V型槽刻痕方向解理会在III-V/Si界面处产生微裂纹并扩展到有源区。本工作将解理面调整为平行于V型槽的[110]方向，获得了无微裂纹、镜面般洁净的腔面，这是器件性能大幅提升的主要因素之一。

为了评估腔体尺寸对高温性能的影响，研究了不同脊宽（5和8 μm）和腔长（1000和2000 μm）的器件。插图max, pink) and high-temperature characteristic temperature (T₀, olive) are plotted for cavity lengths of 1000 and 2000?μm and cavity widths of 5?μm (filled circles) and 8?μm (empty circles).">显示了热稳定性与腔体几何形状的依赖关系。随着腔长从1000 μm增加到2000 μm，5 μm和8 μm宽器件的最高工作温度（T_max）分别从135°C和120°C提高到150°C和145°C，高温特征温度（T₀）也改善了超过10 K。更窄的5 μm脊宽由于总焦耳热更低，在T₀和T_max上始终优于8 μm脊宽。因此，5 × 2000 μm²的几何结构被认为是该材料体系的最佳配置。

在脉冲注入下，优化后的5 × 2000 μm²器件展现了卓越的性能。插图2 device. (a) Light–current (L–I) curves measured from 20°C to 150°C in 10?K steps. The inset depicts the RT L–I curve where the injection current is increased to 1?A. (b) Characteristic temperatures T₀and T₁, presenting temperature dependency of threshold current density (J_th) and slope efficiency, respectively. The vertical dashed line indicates the transition region between ground-state (GS) and excited-state (ES) lasing. (c) Peak lasing wavelength as a function of temperature at 1.1?×?threshold current (I_th), showing the GS-to-ES switch above 100°C.">显示了温度相关的光-电流（L–I）曲线。室温下，器件的阈值电流（I_th）低至41.6 mA（对应阈值电流密度J_th为416 A cm^?2），并能维持激光发射直至150°C。这个脉冲工作温度是已报道的无腔面膜（as-cleaved）硅基QD激光器中的最高值，甚至可与使用高反射腔面膜的先进混合器件相媲美。器件的特征温度T₀在近室温（20°C–60°C）下为79 K，在高温（60°C–100°C）下降至40 K。当温度超过100°C时，激光从基态（Ground-State， GS）跃迁到激发态（Excited-State， ES）发射，但T₀在ES区域仍保持40 K。光谱分析显示，室温下激光波长为1283 nm，GS发射可持续至100°C，温度红移率为0.44 nm K^?1。在110°C以上，ES发射主导直至150°C的热极限。

在连续波（Continuous-Wave， CW）操作下，同一器件也表现出色。插图2 device. (a) Temperature-dependent L–I curves from 20°C to 70°C. The inset describes the RT light–current–voltage (L–I–V) curves with injection current up to 700?mA. (b) Temperature-dependent voltage–current (V–I) characteristics. The inset shows the temperature dependence of the turn-on voltage (V_on). (c) Natural logarithmic plot of J_thand slope efficiency versus temperature, representing the T₀and T₁. (d) Optical spectra at various temperatures, measured at 1.1?×?I_th.">展示了温度相关的L–I曲线。室温下CW I_th为73.2 mA（J_th为732 A cm^?2），器件能够维持CW激光发射直至70°C。开启电压随温度升高线性下降，符合Varshni关系描述的带隙收缩规律。CW操作的T₀和T₁在高温下同样出现显著退化。整个CW温度范围内，器件均保持GS激光发射。值得注意的是，CW操作极限（~70°C）与脉冲性能边界（GS ~110°C， ES 150°C）之间存在显著差距，这突显了进一步降低TDD以减少非辐射复合，以及采用共掺杂技术降低I_th同时保持热稳定性等优化策略的必要性。

结论

本工作展示了一种采用一步全MBE生长方法在V型槽硅（001）衬底上实现的热稳定InAs/GaAs QD激光器。通过保留V型槽模板的结构完整性和消除腔面微裂纹，显著增强了器件的结构质量。通过几何优化，确定5 × 2000 μm²脊形设计是实现高温操作的最佳配置。优化后的器件在热稳定性上相比之前的全MBE V型槽硅QD激光器有显著提升，其脉冲工作温度达到150°C（无腔面膜），室温I_th低至41.6 mA。在CW操作下，器件能维持激光发射至70°C，I_th为73.2 mA。这些结果确立了全MBE V型槽平台作为在硅光子学上单片集成QD光源的一种极具竞争力、成本效益高且可扩展的解决方案。