III-V族激光器在硅片上实现直接集成

蒙彼利埃和CNRS（法国）大学的研究人员已经实现了硅衬底上直接外延一体化的一个III-V半导体激光二极管。

      该二极管由D' ELECTRONIQUE DU SUD研究所（IES）nanoMIR组制造，在30v的温度上，工作在连续波（CW）模式，在2微米波长时，其发射功率是几毫瓦。

      IES说，这项工作代表了把III-V半导体材料与器件（晶体管，激光器，发光二极管，光电探测器）在一个硅平台上直接集成的突破。而这一点恰恰是一些新兴应用的一个先决条件，这些新兴应用包括：III-V CMOS逻辑，光电集成电路，芯片上的光通信或SoC/SiP集成传感器等。

      图：“top-top”激光二极管的CW L-I-V特性。右轴：不同温度下的输出功率vs输入电流。左轴：在20℃时的电压-电流曲线。插图显示在20℃下300毫安连续波输入条件下的激光光谱。

      目前在这一领域开展了很多研究，目的就是在硅片上集成III-V族半导体合金和器件，从而可以将这些器件的非凡的内在属性和先进的硅技术结合起来。

      InP基器件的芯片连接（chip-bonding）技术在过去几年有了很显著的发展，但是目前还不清楚这项技术能不能大范围的推广使用。与之相反，异质外延肯定能允许大规模制造和直接集成，但它已被证明实现起来很困难，原因是晶格、热性能和极性不匹配。IES的研究表明，锑化镓基化合物是解决这些问题的“最佳候选人”。

      外延的结构是以分子束外延在硅衬底上。对比其他III-V/Si系统，我们已经知道，在适当的生长条件下，局限于锑化镓/Si界面而形成的缺陷会带来锑化镓/Si系统中应变松弛的发生。这将允许在不诉诸厚或复合缓冲层的条件下实现良好的质量异质

      与他们以前的工作（演示脉冲激光工作原理）相比，IES小组通过增加了一个具有双重功能的层增强了激光：蚀刻停止层和欧姆接触层。

      该芯片采用“top-top”接触配置方式加工，这样可以避免电流通过有缺陷的锑化镓/Si界面。在20℃时测得的开启电压是0.8eV，非常接近活性区域0.6eV的能带隙。在无涂层连续波模式下测得的输出功率是几毫瓦。CW操作是实现高达35℃受实验装置限制，获得的连续波操作模式最大到35℃。

      这些激光二极管的波长为2微米。但是IES集团以前演示的锑基激光器发射波长为1.5微米～3.3微米。他们指出目前的结果可以延伸到这一波长区域。进一步的工作将着重在这一方面，同时致力于降低光损耗，相比起同质外延激光器，他们的光损耗还相对较高。

      这项工作的更多细节，可以读“Continuous-wave operation above room temperature of GaSb-based laser diodes grown on Si” by Reboul et al, Applied Physics Letters, 99, 121113 (2011).