硅基光电集成|多国合作分别实现量子点激光器和量子点红外光电探测器

硅基光电子学旨在把与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容的激光器、光调制器、光波导和光探测器等器件集成到微电子电路上，从而实现硅基光电集成，兼具光子学器件的高传输处理速度、高传输带宽和电子学器件的低成本、微尺寸、高集成度等优势。

由于硅是间接带隙半导体，并不具备良好的发光特性，因此实现硅基光电集成的首要任务是如何实现硅基高效率发光的激光光源。Ⅲ-Ⅴ族半导体如GaAs、InAs是直接带隙材料，具有极高的发光效率，将Ⅲ-Ⅴ族材料高质量外延生长在硅衬底上则可获得高效激光光源。但在硅衬底上生长Ⅲ-Ⅴ族材料存在着反向畴、晶格失配和热膨胀系数差异等问题。

量子点红外光电探测器

近日，英国伦敦大学学院、美国阿肯色州州立大学、德国柏林洪堡大学和美国陆军研究实验室使用分子束外延，合作完成首个直接在硅衬底上生长的砷化镓（InAs/GaAs）量子点红外光电探测器（QDIP），实现了光电探测器结构和硅基读出电路的单片集成，可用于实现高性能、多谱和大尺寸红外焦平面阵列（FPA），满足超光谱成像、红外光谱和目标识别等领域应用，以及用于自由空间通信、监测、跟踪和导弹拦截、化学传感和生物医疗成像。

技术细节

研究团队通过使用固态源分子束外延（SS-MBE）技术在硅衬底上生长出Ⅲ-Ⅴ材料，通过在（100）衬底上以011方向4°斜切来避免反相畴。在一个5纳米铝砷化铝成核层上，研究人员生长了五层GaAs缓冲层作为位错过滤层，并在其中采用了四层InGaAs/GaAs应变层超晶格（SLS）作为间隔。如果没有位错过滤，1微米GaAs缓冲层显示出位错密度10⁹/cm²，有了该SLS后，降为10⁶/cm²。

图1（a）明视野多光束透射电子显微镜（TEM）成像显示通过错位过滤层减少穿透位错。

（b）采用TEM测量图（a）中GaAs缓冲层中不同位置的穿透位错。

（c）单层InAs/GaAs量子点高精度TEM成像

（d）20层量子点的低放大率明视野扫描TEM图像

量子点激光器

近日，美国加州大学圣巴巴拉分校、圣地亚国家实验室、哈佛大学和中国香港科技大学的研究人员直接在硅晶圆上生长出微型激光器，具有非常低的阈值和可集成到微处理器上的微型体积，有望使下一代微处理器运转更快、功耗更低。

工艺过程

研究人员在硅上集成了亚波长腔（微型激光器的重要组成模块）以实现高密度在片光发射元件。

为了实现该结构，研究人员首先需要解决亚波长腔所在位置的硅晶格缺陷，以实现等同在与GaAs衬底相匹配晶格上生长出腔体。在硅上纳米压印能够使硅基砷化镓接近零缺陷，以及使材料上生产出的量子点中被量子局限的电子能够发出激光。

然后，该团队使用光泵浦，使用光而非电流将电子以原子或分子形式、较低能量级泵浦到更高能级，像一个激光器那样工作。

器件结构

传统的商用激光器体积通常都非常大（1毫米×1毫米），而体积较少的激光器又往往存在较大的镜像损失。研究人员为了克服该问题，使用了微型回音壁模式激光器，直径仅有1微米，比现在使用的激光器长度小1000倍，体积小100万倍。回音壁模式激光器通常被认为是一个极富吸引力的光源，适用于在片光通信、数据处理和化学传感应用。

未来计划

研究团队下一步的工作将集中于使用标准微电子技术实现的电泵浦激光器上。团队希望在10年内看见该技术投入市场。