硅基光电集成技术，是指将成熟的微电子工艺与具有优异性能的光电子器件如激光器、调制器、波导、探测器等集成在一起，有望满足数据中心等对低功耗、低成本及高传输速度通信的需求。由于Si、Ge等IV族材料为间接带隙半导体材料，具有极低的发光效率，因此光源成为制约硅基光电子集成技术发展的主要障碍。与其他技术相比，在硅衬底（Si）上直接外延生长具有优异光电子性能的砷化镓（GaAs）及砷化铟（InAs）材料，并实现InAs/GaAs量子点激光器，不仅具有低成本、大规模量产的优势，而且使用InAs量子点作为有源区，降低了异质外延过程中由于GaAs和Si晶格失配、热膨胀系数及极性差异所导致缺陷对其发光性能的影响。

中国科学院半导体研究所徐波研究员和赵超研究员在Si衬底上使用极薄的Ge材料作为缓冲层，并采用应变超晶格抑制失配产生的位错，生长了GaAs材料与InAs/GaAs量子点材料，并对GaAs材料和InAs/GaAs量子点材料进行了深入研究及表征。获得的GaAs外延层XRD半高宽达到252 arcsec，并且截面TEM显示位错主要限制在异质界面处，显示了GaAs外延层具有相当高的晶体质量。在GaAs外延层上自组织生长的InAs/GaAs量子点材料密度为4 × 1010 cm-2，PL发光峰位于1270 nm。以此材料基础进行了法布里－珀罗（FP）腔激光器的演示，器件实现了O波段的室温连续波激射。

本工作表明了O波段InAs/GaAs量子点激光器在硅衬底上大规模及低成本制造的潜力，对硅基光电子集成技术的发展起到了积极的作用。

图1. （a）在室温下以脉冲模式在 Si 衬底上生长的 InAs量子点激光器的 L-I-V 曲线。插图：Si 衬底上整个 InAs量子点激光器结构的 SEM 图像。在室温下以连续波模式在Si衬底上生长的InAs量子点激光器的（b） L-I 曲线和（c）发射光谱。

Investigation into the InAs/GaAs quantum dot material epitaxially grown on silicon for O band lasers

Tianyi Tang, Tian Yu, Guanqing Yang, Jiaqian Sun, Wenkang Zhan, Bo Xu, Chao Zhao, Zhangguo Wang

J. Semicond. 2022, 43(1): 012301

doi: 10.1088/1674-4926/43/1/012301

Full Text: http://www.jos.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-4926/43/1/012301