硅上MOCVD中长波长红外量子级联激光器不该存在的秘密是什么？

　　美国研究人员报告了通过 MOCVD 在硅 (Si) 上生长的 8.1 μm 波长量子级联激光器 (QCL) [S. 徐等人，应用。物理。快报，v123，p031110，2023]。来自威斯康星大学麦迪逊分校、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校和 MicroLink Devices Inc 的团队评论道：“之前没有关于通过金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 在硅基板上生长 QCL 的报道。”

　　这种硅上的集成可能会导致芯片级、可靠且可大规模生产的光子集成电路（PIC）的发展。研究人员将其与晶圆键合等其他集成方法进行了对比：“混合集成方法依赖于精确对准来实现有效的波导到激光光学耦合，而这反过来又需要严格的制造加工公差。通过异质外延直接集成到硅上，使中红外 (IR) 光电器件能够以低成本和高吞吐量与成熟的 CMOS 兼容硅平台集成。”

　　中红外 QCL 通常生长在磷化铟 (InP) 上。该团队特别注意结合分子束外延 (MBE) 和 MOCVD 在硅上创建虚拟 InP 衬底。在生产中 MOCVD 优于 MBE。研究人员评论道：“剩下的技术挑战是克服缺陷和外延生长相关问题，这些问题是由于 InP 和硅等原生衬底之间的大晶格常数和热膨胀失配而引起的（例如约 8% 的晶格失配）和约 50% 的热膨胀系数失配）。”

　　模板结构的砷化物部分（图 1）是使用固体源 MBE 在商业 (001) GaP/Si 模板（由 NAsP III/V提供）上生长的有限公司。该基板名义上是同轴的，与高通量工业规模 CMOS 电子产品生产兼容。初始层由夹在 GaAs 中的砷化铟镓 (InGaAs) 位错过滤层 (DFL) 组成。研究人员通过将初始砷化物层的厚度保持在 0.5 μm，牺牲了一些降低穿透位错密度 (TDD) 的潜力。GaAs 层分两步生长，首先在 500°C 的低温下生长，然后在更高的温度下生长（下层/上层分别为 580/610°C）。就上层而言，这样做的一个动机是避免 InGaAs DFL 中的铟逸出。

　　模板的上层 InP 变质缓冲层 (MBL) 部分通过 MOCVD 生长，并包括四个另外的 DFL，由三个 2nm/37nm InAs/InP 对组成。

　　QCL 使用 MOCVD 完成，总外延厚度（包括变质缓冲层和激光层）约为 13 μm。QCL/Si 没有出现裂纹，团队认为这可能是由于两个因素造成的：1.7cmx1.7cm 的小样品尺寸，以及 800 μm 厚的硅基板减轻了曲率累积。模板的砷化物部分的TDD估计为1.0x10 9 /cm 2。InP MBL 将其降低至 7.9x10 8 /cm 2。

　　在脉冲操作下，硅上的阈值电流密度比在相同工艺运行中在体InP衬底上生长的器件低22%：在图中，分别为1.50kA/cm 2 和1.92kA / cm 2。研究人员评论道：“这可能反映出由于预先存在的缺陷或硅和 InP 衬底表面生长温度的差异，活性核超晶格层内硅掺杂剂的掺入量减少。此外，缺陷位点周围的不均匀生长可能会降低载流子迁移率和隧道效率，这将解释在硅上生长的器件观察到的更高串联电阻。”

　　在硅基 QCL 中提供给定电流注入所需的电压越高，串联电阻越高。尽管串联电阻较高，硅基 QCL 还提供了更高的峰值光输出功率：硅基器件和 InP 基器件分别为 1.64W 和 1.47W。相应的斜率效率分别为0.72W/A和0.65W/A，电光转换效率分别为2.85%和2.50%。

　　发射光谱分析显示波长范围 7.6-8.3 μm 内有多种模式。InP 和 Si 基器件的最大峰值分别约为 8.1 μm 和 8.0 μm。这些波长比 8.2 μm 的设计目标稍短。研究人员认为，这种差异可能是由于局部生长变化影响层厚度，如 X 射线衍射分析所示。