硅基光電子技術以光電子與微電子的深度融合為特征，是后摩爾時代的核心技術。硅基光電子芯片可以利用成熟的微電子平臺實現量產，具有功耗低、集成密度大、傳輸速率快、可靠性高等優點，廣泛應用于數據中心、通信系統等領域。除硅基激光器外，硅基光探測器、硅基光調制器等硅基光電子器件技術已經基本成熟，但作為最有希望實現低成本、大尺寸單片集成的硅基外延激光器仍然面臨著諸多挑戰。

據麥姆斯咨詢報道，北京郵電大學信息光子學與光通信全國重點實驗室的研究團隊探討了近些年國內外硅基光源的研究進展，重點介紹了研究團隊在硅基外延Ⅲ-Ⅴ族量子阱和量子點激光器方面的研究進展，最后探討了直接外延Si基Ⅲ-Ⅴ族激光器方案存在的問題和發展的方向。相關研究內容以“用于單片集成的硅基外延Ⅲ-Ⅴ族量子阱和量子點激光器研究”為題發表在《人工晶體學報》期刊上。

基于無偏角硅襯底的GaAs/Si(001)材料外延

在Si襯底上外延生長Ⅲ-Ⅴ族材料時，往往會由于Ⅳ族材料和Ⅲ-Ⅴ族材料之間存在極性失配而導致反相疇缺陷。這一缺陷是由Ⅲ-Ⅲ、Ⅴ-Ⅴ鍵組成的二維界面，并形成一個載流子捕獲區域，減少器件中的少數載流子壽命，從而降低激光器的發光效率。近些年來，研究人員為了在Si(001)襯底上生長無反相疇的GaAs材料，提出了諸多方法。一般情況下，無偏角Si(001)襯底的主要表面結構如圖1所示。通過對比表面能研究了在不同化學勢下不同表面結構的熱力學穩定性。

圖1 無偏角Si(001)襯底的表面結構示意圖

北京郵電大學研究團隊采用RCA濕法清洗工藝對Si襯底進行預處理，然后應用MOCVD技術在800 mbar氫氣環境下對三個Si襯底進行10 min的氫化熱退火，退火溫度分別為700 ℃、800 ℃和900 ℃。接著采用三步法生長了420 nm的GaAs材料。原子力顯微鏡（AFM）測試的樣品表面形貌如圖2所示。這項研究采用簡單的RCA濕法清洗工藝，且無需額外的Si緩沖層。這項研究采用的氫化熱退火溫度較低，在無偏角Si(001)襯底上生長得到無反相疇且表面平整的高質量GaAs材料，為后續制作Si基光子器件，乃至Si基光子集成電路奠定了基礎。

圖2 GaAs/Si(001)材料在不同溫度下退火后的AFM照片

硅基InGaAs/AlGaAs量子阱激光器材料外延

量子阱半導體激光器是一類發展成熟的激光器，具有量子效應高、溫度特性好、閾值電流密度低、輸出功率大、壽命長等優點。北京郵電大學研究團隊利用MBE在上述GaAs/Si(001)襯底上外延生長了Si基量子阱激光器材料，如圖3所示。該研究首次在無偏角Si(001)襯底上實現了直接外延Si基InGaAs/AlGaAs量子阱激光器的室溫連續激射，其閾值電流密度低至867 A/cm2，該性能參數處于世界領先水平。利用上述材料結構，本研究團隊制備了條形F-P腔激光器，器件結構如圖4(a)所示。

圖3 硅基量子阱激光器材料結構示意

圖4 硅基F-P腔量子阱激光器圖片

硅基InAs/GaAs量子點激光器材料外延

由于量子點具有很強的三維量子限制效應，因此對位錯的容忍度較高，目前其作為有源區的硅基量子點激光器在閾值電流、溫度穩定性和壽命等關鍵指標上均展現出優異特性，有望成為1.3 μm波段硅基光源的最終解決方案。

北京郵電大學研究團隊2021年為了進一步提高Si基量子點激光器的性能，結合MOCV和MBE技術首次在上述GaAs/Si(001)襯底上引入非對稱波導結構，完成了整個材料結構的生長，如圖5所示，實現了無偏角Si基量子點激光器的室溫連續激射。后在此基礎上，研究團隊制備了寬條邊發射激光器結構，如圖6所示。

圖5 InAs/GaAs量子點激光器材料結構示意圖和材料質量表征圖

圖6 硅基量子點激光器結構

對稱負極共面電極結構硅基激光器芯片研制

Si基激光器的芯片結構對激光器的光學模式特性、微分電阻等性能有著直接影響。因此，降低Si基激光器的微分電阻是改善激光器性能的重要措施，同時也是制作高性能Si基激光器的必要條件。然而，對于Si基激光器，主要研究聚焦于通過提高外延材料質量的方式改善器件性能，很少有其他途徑的報道。在此基礎上，北京郵電大學研究團隊以優化芯片結構和工藝流程為方向對激光器的微分電阻進行了改善，從而提高了無偏角Si基量子點激光器的光電性能。對Si基激光器而言，傳統共面電極芯片結構如圖7(a)所示。激光器材料結構如圖8所示。采用相同外延片，分別制作兩種不同的芯片結構的量子點激光器，如圖9所示。

圖7 激光器截面示意圖和等效電路

圖8 硅基量子點激光器材料結構圖

圖9 芯片結構圖

結語與展望

綜上，國內外研究團隊通過抑制無偏角GaAs/Si(001)材料的反相疇和不斷降低硅基激光器材料的位錯密度，使硅基激光器性能得到了很大提高。實用化的硅基光源還需要解決以下問題：

（1）硅基Ⅲ-Ⅴ族激光器材料的位錯密度需要進一步降低。目前，主要通過采用熱循環退火方法和應變超晶格位錯阻擋結構等方法，可以將2 - 3 μm厚的GaAs/Si材料的位錯密度降低到10? cm?2量級。但是，該量級的位錯密度仍然嚴重限制了激光器工作壽命（尤其是高溫可靠性）。

（2）硅基Ⅲ-Ⅴ族激光器材料的熱裂紋需要有效的抑制或消除方法。熱裂紋是導致硅基激光器材料損傷、芯片解理工藝失敗和器件漏電失效的重要原因之一。多孔Si層和圖形化襯底方案工藝更復雜，無法達到批量制備無熱裂紋激光器材料的要求。

（3）硅基Ⅲ-Ⅴ族激光器還沒有合適的單片集成方案。目前，國內外關于硅基激光器單片集成方案的研究比較少，主要是將Ⅲ-Ⅴ族有源材料生長在圖形化絕緣體上硅（SOI）襯底上。該方案難度較大，且有一系列的工藝和結構問題（如與Si波導的光耦合問題等）還未解決。

基于上述問題，今后的研究內容可能會在以下幾個方面取得重要進展：（1）采用位錯疏導方案有效降低硅基激光器材料有源區的位錯密度。（2）降低或消除激光器材料的熱裂紋密度。（3）在圖形化SOI襯底上生長激光器材料的單片集成結構中，在激光器兩端面附近區域刻蝕多周期的分布式布拉格反射鏡（DBR），從而實現激光的反饋和激光器的單縱模工作。（4）多波長單元的單模硅基激光陣列光源是實現實用化硅光芯片的基本條件。