在硅材料上直接集成III-V主族材料激光器

在硅材料上直接集成III-V主族材料激光器

与展示脉冲激光器这一先前的研究工作相比，法国IES研究团队已经在激光器中集成了一个既可以作为刻蚀停止层又可以作为欧姆接触层的具有双功能薄膜层

来自法国Montpellier 和CNRS大学的研究者们已经发现一种在硅衬底上直接进行外延集成的III-V主族材料半导体激光二极管的方法。

由IES（Institut d’Electronique du Sud）的nanoMIR团队制造的激光二极管可在30℃以上的温度下输出连续的光波。它的输出激光波长为2um、功率为几个mW。

IES宣称这项研究工作代表在硅材料平台上直接集成III-V主族半导体材料和器件（包括晶体管、半导体激光器、LED、光电探测器等）的一个突破。他们指出，这是诸如III-V主族半导体CMOS逻辑或光集成电路、芯片上光通信以及偏上系统/系统级封装集成传感器的一项首要条件。

当前在进行的许多研究都针对在硅材料上集成III-V主族 材料和器件，以此来将其卓越的本征特性与非常先进的硅半导体技术进行结合。

尽管在过去二十年中已经取得了诸如基于InP器件的键合技术等许多显著的进步，但是仍然不明确的是是否这项技术可以用于大规模生产。

相比较而言，异质外延技术使得大规模生产和直接集成成为可能，但是由于大型晶格、热过程以及极性的失配等原因，这项技术已经被证明是极其困难的。IES的研究成果显示基于GaSb的化合物材料是解决这一问题的良好候选方案。

外延结构通过MBE的方法在（001）晶向的硅材料衬底上制作。与其它的III-V主族 材料/Si系统相比较而言，在适当的生长条件下，通过形成会保持局限于接近GaSb/Si界面的缺陷可以使GaSb/Si系统的应力松弛。这使得在不使用较厚或者复杂缓冲层的条件下能够实现高质量的异质结构。

与展示脉冲激光器这一先前的研究工作相比，IES研究团队通过增加一个具有双重角色的薄膜层将激光器的性能进行增强：既可以作为刻蚀停止层又可以作为欧姆接触层。

此芯片随后经过“顶部-顶部” 配置的电极接触处理，这使其避免了驱动电流流经具有缺陷的GaSb/Si界面。

此器件的开启电压在20℃时的测量值为0.8V，这与有源区0.6eV的能带间隙非常接近。在使用非镀膜小平面方式下测量的处于连续光波模式的输出功率为几个毫瓦。由于实验条件的限制，连续光波模式能够达到35℃的温度条件。

图：“顶部-顶部”激光二极管的连续光波L-I-V特性。右轴：不同温度条件下输出功率与注入电流的关系。左轴：20℃条件下的电压-电流曲线。插入的图展示了在300mA电流连续光波注入时20℃温度条件下的激光光谱。

这些激光二极管的波长为2um。然而IES研究团队之前已经展示了整个光波长范围从1.5um到3.3um的基于锑化物的激光器。他们指出，当前的研究结果可以扩展到这一光谱范围。研究团队未来的工作仍将集中在这一领域，以减小相比于单质外延半导体激光器仍然偏高的光损耗。

Reboul et al Appl. Phys. Lett. 99 121113  (2011)