硅基外延生长的中红外III-V族半导体激光器

研究背景

中红外(MIR)波长范围可定义为2~12µm范围，对应0.62~0.1eV之间的光子能量，这包括了大气中的几个透明窗口和许多分子的指纹吸收谱线。因此，基于中红外光电子学的光子传感器或设备在过去的几十年中得到了深入且广泛的研究。然而尽管社会需求在不断增加，但这些传感器仍然是分立元件的组合，这使得它们变得笨重和昂贵，并限制了它们的广泛使用。

随着CMOS工艺技术的快速发展以及硅基(Si)材料优异的光学特性，硅光子学已经成为数据通信领域的关键技术，该技术可以直接适用于Si、Si₃N₄和SiO₂透明的短波中红外(波长小于3µm)，而通过集成其他设计或材料可以扩展到整个中红外波段。其中，异质集成技术是当今最先进的策略，研究者利用该技术已经展示了键合中红外二极管、带间级联和量子级联激光器等。然而，有证据表明在硅上直接外延III-V族半导体激光器异质结构可以超过异质策略。因此，研究者们近期在InAs/GaAs或InAs/InP量子点激光器(QCL)的外延集成方面做了大量的工作。在中红外光谱范围内，最有效的半导体激光器是基于InAs的量子级联激光器(QCL)，基于GaSb的基带间二极管激光器(GaSb-DLS)和基于InAs/GaInSb的带间级联激光器(ICL)。

研究内容

研究团队回顾了在硅基片上集成中红外半导体激光器以开发各种基于硅光子学集成电路的智能、紧凑型传感器方面的相关研究，重点是锑化物激光器的外延集成，这是唯一覆盖整个中远红外光谱波段范围的技术。研究人员解释了专用分子束外延策略如何通过在Si衬底上直接生长来设计高性能GaSb基二极管激光器、InAs/AlSb量子级联激光器和InAs/GaInSb带间级联激光器，而在大容量外延工具中，通过金属有机气相外延生长在Si上的GaAs或GaSb层是锑化物激光过度生长的合适模板。

研究人员还表明，虽然半导体激光器对残余晶体缺陷很敏感，但生长在Si上的量子级联和带间级联激光器由于其特殊的能带结构，其性能可与生长在其原生衬底上的类似器件相媲美。

综述内容

1. 锑化物技术

锑(Sb)化物半导体是指通常生长在晶格常数接近0.61nm的GaSb或InAs衬底上的富含锑的III-V族化合物。包括GaSb、InAs和AlSb化合物及其三元、四元甚至五元合金。在III-V半导体中，该技术的一个非常独特的特点是能带对齐，如图1所示。砷(As)化物异质结构中典型的I型电子和空穴排列与锑化物(如AlGaSb/GaSb、GaSb/GaInSb)一起存在。然而，也可以进行II型和III型对齐。实际上，AlSb的价带最大值低于InAs的导带最小值，AlSb/InAs系统为II型，而InAs的导带最小值低于GaSb的价带最大值，InAs/GaSb系统为III型，也称为交错II型。一方面，这导致在InAs/AlSb界面上产生巨大的导带偏移，另一方面，这允许通过改变层厚度来调整InAs/GaSb超晶格的有效带隙。此外，锑元素还具有高载流子迁移率(InSb、GaSb>InAs)。这些特性使其对低能量、高速晶体管特别有吸引力。因此，III-Sb化合物在III-V半导体中是独一无二的，它们允许设计人造材料，其有效带隙可以从近红外(IR)到远红外和太赫兹。

图1 III族砷元素和锑元素的能带对齐示意图。

然而，在波长小于3µm的情况下，中红外激光器依赖于复杂的合金，需要严格控制各个材料的成分，尤其是As/Sb比， 这对许多参数敏感，如每个V族焊剂的绝对值、As/Sb焊剂比、基体温度和合金生长速率等。因此，应对每组生长条件进行详细校准。另一方面，InAs/AlSb II型和InAs/GaSb III型异质结构没有共同的原子界面。因此，生长序列可以产生多种配置，对于基于短周期超晶格的器件，如QCL或MIR光电探测器，界面不仅影响其结构质量，还影响其电子学和光学性能。

到目前为止，分子束外延(MBE)是唯一允许生长激光质量III-Sb异质结构的技术，这与大多数严重依赖金属有机气相外延(MOVPE)的其他III-V技术形成了显著对比。这是由于层中铝含量高、合金复杂以及这些化合物的典型低生长温度造成的。虽然最近用MOVPE生长了高性能的远红外InAs/GaSb光电探测器，但用MOVPE生长的锑化物激光器的性能仍有待证明。

2. 硅基GaSb激光二极管

GaSb激光二极管基于GaInAsSb/AlGaAsSb量子阱(QW)材料体系。包层和阻挡层由富铝、宽带隙和低折射率的AlGaAsSb化合物制成，发射量子阱则基于GaInAsSb窄间隙合金。GaSb激光二极管在整个1.5~3.3µm波长范围内有效。GaSb异质结构的活动区是由晶格匹配的AlGaAsSb层限制的GaInAsSb量子阱构成。波导层和阻挡层由AlGaAsSb合金制成，Al和As含量分别约为25%-35%和3%-4%，而包层中Al和As含量分别增加到70%-90%和6%-8%。

图2 在2~3µm波长范围内发射的I型GaInAsSb/AlGaAsSb激光二极管的典型能带结构。

图3 脉冲模式下，在硅衬底上以0.18°残余误切角生长的GaSb-DLs的L-I曲线。

图4 在硅衬底上生长的窄脊GaSbe二极管激光器在不同温度下的L-I-V曲线，残余误切角为0.18°。

图5 室温下，在硅衬底上生长的8µmx1.5mmGaSb-DLs的连续波发射光谱，残余误切角为0.18°。

已有的研究表明，可以通过MBE在Si衬底上直接生长整个结构，或通过MOVPE在Si获得的GaAs上生长二极管结构，获得高性能GaSb-DLs。这表明，大型晶圆尺寸的MOVPE允许生长适合后续GaSb-DLs外延的III-V缓冲层。在III-V-on-Si模板上生长的GaSb-DLs的阈值电流密度对穿线位错密度很敏感，如图6所示，甚至在硅上生长的InAs/GaAs量子点上也观察到了这一发现。一方面，这使二极管激光器成为评估Si模板III-V结构质量和跟踪其进度的完美测试工具。另一方面，这表明现在应该实施专门的策略，以降低Si上GaSb-DLs中的穿线位错密度，从而改善其性能。

图6 室温下在不同III-V-on-Si模板上生长的GaSb-DLs的阈值电流密度随原子力显微镜测量的穿线位错密度的变化。

3. 硅基GaSb-II型带间级联激光器

除了上述位错敏感性之外，GaSb-DLs仅限于1.5–3.3µm波长范围，并且由于俄歇效应，其性能在波长超过2.8µm时严重退化。在这种情况下，已经提出了依赖II型辐射复合的其他带结构，以将工作波长扩展到3µm以上。在ICLs中，带间辐射跃迁发生在所谓的“W”II型量子阱中，该量子阱由夹在两个InAs电子量子阱之间的GaInSb孔量子阱制成，如图7所示。该W型量子阱由空穴和电子注入器包围，以将载流子馈入量子阱。该结构分别由一系列交替和分级厚度的GaSb/AlSb和InAs/AlSb层组成。级联方案是通过叠加该层序列的几个周期来实现的，这得益于InAs/GaSb半金属界面，该界面允许电子隧道进入下一个周期的导带。ICL可以在InAs或GaSb衬底上生长，并逐渐成为3~5µm波长范围内最有效的中红外激光源。

图7 典型ICL的能带结构。

4. 硅基InAs/AlSb量子级联激光器

对于波长更长的中红外波段(>5µm)，ICL的工作波长无法覆盖，此时QCL是首选的半导体激光器。与其他材料系统相比，锑化物用于量子级联激光器(QCL)具有许多优点。InAs和AlSb之间的导带偏移量远大于GaAs和InP基材料中的导带偏移量，因此可以获得高能量的子带间(ISB)跃迁。因此，InAs/AlSb系统非常适合短波长QCL，迄今为止最短的QCL发射波长为2.6µm，已使用基于锑的QCL进行了验证。InAs中的小电子有效质量是InAs/AlSb系统获得高ISB增益的另一个优势，这允许在波长高达18µm的室温下实现连续QCL操作。这些发射近11µm的器件表现出与在天然InAs衬底上生长的相同激光器相当的性能。

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