中国半导体研究所和中国科学院大学声称，直接生长在轴上硅 (001) 衬底上的 1.3 μm 波长砷化铟 (InAs) 量子点 (QD) 激光器的连续波 (CW) 工作温度高达 150°C，创历史新高 [Zunren Lv 等人，Optics Express, v31, p24173, 2023]。硅 (Si) 器件还表现出超高的热稳定性，在宽温度范围内具有有效恒定的阈值电流和斜率效率。

　　该团队将其结果归因于低穿透位错密度 (TDD) 砷化镓 (GaAs) 缓冲层、高增益 QD 有源区和 p 型调制掺杂的组合。

　　研究人员评论道：“我们相信这项工作展示了硅基直接外延QD激光器在实现低功耗、小型化和低成本硅光子芯片方面的巨大前景，为低成本、高性能硅光子集成电路（PIC）的发展提供了强大的驱动力。”

　　该团队预计，低成本、低功耗和高集成度的 QD 激光二极管 (LD) 与互补金属氧化物半导体 (CMOS) 电子处理单元相结合，可用于大容量数据传输、高性能光学计算以及高精度光探测和测距 (LiDAR)。当激光二极管放置在发热的高速 CMOS 计算机处理单元 (CPU) 旁边时，激光二极管在高温下的稳定性尤其重要。

　　研究人员在硅基磷化镓 (GaP/Si) 模板上使用分子束外延 (MBE) 来生产 QD 激光材料（图 1）。模板不含反相域。

　　该团队在生长缓冲层时特别小心，以减少上部器件层的缺陷密度。前三层分别在 400–500°C、500–600°C 和 600–700°C 的低温（LT，30nm）、中温（IT，70nm）和高温（HT，1500nm）下生长。IT 步骤的注入将一条 X 射线摇摆曲线的半峰全宽 (FWHM) 降低至 173.3 弧秒，而两步 100 nm LT + 1500 nm HT 缓冲液的半峰全宽 (FWHM) 为 182.3 弧秒。使用三步缓冲工艺，穿透位错密度（TDD）也降低了10.9%至1.01x10 8 /cm 2 。

　　促进位错湮灭的进一步措施包括InGaAs/GaAs应变层超晶格位错过滤器的生长和循环热退火。ECCI 分析得出完整的 3 μm GaAs 缓冲液的 TDD 为 4.3x10 6 /cm 2 。根据AFM，表面粗糙度均方根为2.46nm。

　　器件层中的有源区由八层自组装 InAs/GaAs QD 组成。一层中的 InAs 点被 4nm InGaAs 应变减少层和 45nm GaAs 覆盖。这些层由 6nm p 型调制掺杂势垒隔开。空穴浓度为1x10 18 /cm 3量级，或每个QD约14个空穴。

　　包覆层是适当掺杂的1.4μm砷化铝镓(Al 0.4 Ga 0.6 As)。顶部接触层由 300nm p-GaAs 组成。

　　该材料被制成脊波导激光器，分别采用钛/铂/金 (Ti/Pt/Au) 和金-锗/镍/金 (AuGe/Ni/Au) 作为 p 型和 n 型电极。电隔离由 350nm 二氧化硅提供。该材料被减薄至 100 纳米厚，并被劈开以产生不同的腔长度。一侧涂有 95% 的反射材料。

　　6 μmx1000 μm 激光器的室温 CW 阈值电流密度为 933.3A/cm 2 ，而更宽的 30 μmx1500 μm 器件则为654.9A/cm 2 。发射波长约为1316nm。更宽的激光二极管的光输出功率达到了 91.6mW 饱和度，斜率效率为 0.2W/A。较窄的器件具有略高的斜率效率，为 0.22W/A，输出功率几乎达到 50mW。

　　6 μmx2000 μm 器件能够在高达 150°C 的温度下维持连续激光发射，最大输出为 0.13mW（图 2）。研究人员评论道：“据我们所知，这些结果代表了直接在硅基板上生长的任何激光器的最高 O 波段 CW 工作温度，其中边切硅为 119°C，轴上硅为 108°C。”

　　该器件的发射波长在较高温度下红移至更长的波长，从 15°C 时的 1313.1nm 到 85°C 时的 1345nm。在125℃和145℃时，波长分别达到1375nm和1377.5nm。

　　为了避免自热效应，该团队还研究了不同温度下脉冲电流注入下的激光器（图 3）。例如，在 150°C 时，6 μmx2000 μm QD 激光器的饱和光输出功率为 12.3mW，而不是 CW 操作的 0.13mW。

　　脉冲操作的阈值电流在 10–75°C 范围内基本恒定，对应于无限的特征温度 (T 0 =∞)。

　　研究人员评论道：“这与报道的基于 GaAs 的 QD 激光器的最高温度稳定性结果一致，对于硅 PIC 具有重要价值。”

　　斜率效率随温度下降的特征温度 (T1) 是无穷大，即在更宽的 10–140°C 范围内没有下降。

　　在脉冲注入下，更宽的 10 μmx2000 μm QD 激光器在 150°C 时具有超过 25mW 的输出功率，在 160°C 时具有超过 2mW 的输出功率。

　　该团队报告的最终变化是将量子点层数减少到五层。比较10 μmx2000 μm器件的性能，5层在25℃下的脉冲阈值电流密度为90A/cm 2，略低于8层99A/cm 2阈值。然而，5层激光二极管仅达到120°C就未能发射激光。T 0特性也从 15-75°C 范围内 8 层器件的无穷大降低到 5 层器件的 142K。

　　该团队评论道：“这些结果表明，高质量的多层量子点可以显着提高硅基器件的高温性能。”