信息和通信技術(ICT)蓬勃發展，提供了改變生活的服務方式，需要越來越多的數據處理、存儲(chu) 和通信。在過去十年中，ICT服務以指數級速度增長，預計到2030年將占全球用電量的很大一部分，因此需要新的節能解決(jue) 方案。

摘要：實現片上通信的光互連需要超低能耗、高性能的光源。光子晶體(ti) (PhC)納米腔激光器是這一角色最有希望的候選人之一。在這項工作中，展示了一種連續波PhC納米激光器，在工作在室溫下其超低閾值電流為(wei) 10.2 μ a，發射波長為(wei) 1540 nm。該激光器是基於(yu) inp的矽(Si)鍵合激光器，由掩藏異質結構有源區和橫向p-i-n結組成，具有CMOS兼容驅動電壓和低自發熱特性。載流子泄漏是橫向泵注方案的一個(ge) 基本限製，它被認為(wei) 是InP p-i界麵的不必要的自發輻射，將注入效率限製在3%，並且在更高的電流下進一步降低。實驗研究了製備無序性和p摻雜吸收對Q因子的影響，結果表明p摻雜將Q因子限製在8000,p摻雜吸收係數為(wei) 120 cm-1。

1介紹

信息和通信技術(ICT)蓬勃發展，提供了改變生活的服務方式，需要越來越多的數據處理、存儲(chu) 和通信。在過去十年中，ICT服務以指數級速度增長，預計到2030年將占全球用電量的很大一部分，因此需要新的節能解決(jue) 方案。由於(yu) 光通信在帶寬、速度和功耗方麵具有優(you) 勢，並且已經通過垂直腔麵發射激光器(VCSELs)用於(yu) 數據中心和超級計算機的短距離通信，因此從(cong) 電互連到光互連的過渡已經實現了很大的改進。將這一概念擴展到芯片和芯片上通信將改變ICT的遊戲規則，然而，傳(chuan) 統光源無法滿足低功耗的要求。

光子晶體(ti) (PhC)納米激光器已經被各個(ge) 研究小組開發出來，並顯示出巨大的潛力和豐(feng) 富的物理性質，然而，這些研究大多局限於(yu) 光泵浦，而電操作是在脈衝(chong) 泵浦或低溫下實現的。最近，這一陡峭性的技術障礙已經被克服，單片和非均勻集成的電泵浦PhC激光器實現了連續波室溫工作。

對於(yu) 片上通信，混合光子-電子集成是必不可少的，而膜光子器件是最有利的候選者，因為(wei) 它具有較高的光學約束，並且易於(yu) 轉移到非原生襯底(如Si上的III-V)。然而，由於(yu) 膜的包覆層通常是空氣或絕緣體(ti) ，電極應該移動到設備的一側(ce) ，這對載流子注入技術提出了新的挑戰。載流子注入的兩(liang) 種可能是在膜外延生長過程中形成的常規垂直p-i-n結，或活性物質保持未摻雜的橫向p-i-n結，而摻雜區域則通過再生長或摻雜劑的注入和擴散形成。橫向摻雜雖然涉及再生長過程，但由於(yu) 摻雜區域的局部化和平麵加工的保留，橫向摻雜更加通用。橫向注入和掩埋異質結構活性區域的組合在數值上被證明是更有效的，然而，最近的演示表明，垂直摻雜納米激光器的效率優(you) 於(yu) 基於(yu) 橫向載流子注入的激光器。因此，了解橫向p-i-n結的特性和局限性對於(yu) 開發超低功耗納米激光器和納米LEDs至關(guan) 重要。

在這項工作中，我們(men) 研究了電注入2D-PhC膜納米激光器的特性，該激光器具有波長尺度的有源區域和橫向載流子注入，並通過直接鍵在Si上進行非均勻集成。我們(men) 演示了PhC納米激光器在室溫下以10.2 μ a的超低閾值電流在1540 nm處發射的連續波操作。基於(yu) 最先進的器件，我們(men) 研究了橫向載流子注入方案在泄漏電流方麵的局限性。此外，我們(men) 對被動PhC腔進行了表征，以量化無序和p摻雜吸收對激光腔質量(Q)因子的影響。研究了激光器在環境溫度和自加熱條件下的熱特性，由於(yu) p-i界麵自發發射InP的載流子泄漏，確定了低3%的注入效率。

2設計與(yu) 製作

2.1設備結構

線缺陷(LD) PhC激光器的原理圖如圖1a所示。LD腔用於(yu) 限製光子，並通過沿三角形PhC晶格方向省略一些孔來創建。活性介質由一個(ge) 掩藏的異質結構(BH)組成，包含一個(ge) 或三個(ge) InGaAsP/InAlGaAs QWs，它被放置在限製載流子的PhC腔內(nei) 。載流子通過橫向p-i-n結方案注入到黑洞區。

圖1：a)激光器原理圖。b)優(you) 化後L3 PhC腔基模磁場分布。c)在q因子優(you) 化之前(上)和之後(下)以對數尺度繪製的倒數空間中Ey的二維傅裏葉變換。黑色實心圓圈表示光錐。d) q因子優(you) 化前(左)和優(you) 化後(右)腔體(ti) 泄漏組分可視化。孔位調整分別表示為(wei) 中心、第一和第二水平PhC行Si、Ti和Ui。

為(wei) 了在保持高Q因子的同時獲得C波段的激光波長，PhC晶格常數、半徑和InP板厚分別選擇為(wei) 440、120和250 nm。孔半徑在器件之間變化，以補償(chang) 晶圓上膜厚度的變化，並在腔共振和活性介質的光致發光峰之間提供更好的重疊。在這項工作中，空腔設計是不同長度的標準LD空腔(從(cong) 均勻晶格中去除的孔)。通過調整周圍孔的位置，對L3腔進行修正，提高Q因子以捕獲激光。

在圖1b中，通過三維時域有限差分(FDTD)方法計算了L3優(you) 化腔的基模磁場。為(wei) 了實現高Q因子，位於(yu) 光錐內(nei) 的空間頻率分量需要最小化。圖1c顯示了優(you) 化前後Ey場的二維傅裏葉變換。通過後續傅裏葉反變換在真實空間中可視化泄漏場分量並調整泄漏區域周圍孔的位置，優(you) 化了Q因子。優(you) 化前後的泄漏場剖麵如圖1d所示。由於(yu) 優(you) 化後的泄漏場被抑製，其強度必須放大100倍才能與(yu) 未優(you) 化的泄漏場相當。PhC排中心、第一、第二排第i個(ge) 孔的位置位移分別記為(wei) S、T、U，其值計入圖中。采用這種直觀的優(you) 化方法，通過調整7個(ge) PhC孔的位置，將Q因子從(cong) 5000提高到1.1*106。

2.2製作工藝

以下部分描述了激光器件的製造，提供了一些加工選擇的解釋，並強調了製造缺陷可能對最終的激光性能產(chan) 生的主要影響。圖2描述了一些流程步驟。

圖2：該裝置的製作過程。a)在Si/SiO2晶圓上直接粘接InP晶圓。b)幹式晶圓蝕刻後形成HSQ掩模保護台麵結構。c) InP第二次再生後形成掩埋異質結構。d)矽離子注入後的晶片，去除用於(yu) n摻雜的DUV掩膜。e) Zn熱擴散p摻雜。f)電子束光刻PhC空穴定義(yi) 。g)兩(liang) 步幹蝕刻後的晶圓。h)使用升壓工藝的金屬化。i) PhC結構的膜化。

掩藏異質結構、光子晶體(ti) 腔和摻雜p區和n區之間的精確對齊是器件運行的基本要求。雖然黑洞和PhC空穴是用電子束光刻來定義(yi) 的，但我們(men) 選擇深紫外(DUV)光刻來定義(yi) 摻雜區域，因為(wei) 它們(men) 的整體(ti) 尺寸要大得多。由於(yu) 我們(men) 的DUV工具對晶圓的最小直徑施加了限製，我們(men) 使用帶有熱氧化層的4”矽作為(wei) 載體(ti) 晶圓，我們(men) 直接在其上結合2”InP晶圓。在我們(men) 的潔淨室設施中，由於(yu) 沒有合適的III - V加工設備，使用更大直徑的晶圓受到很大限製。

激光器件加工從(cong) 以下III-V-on-Si集成程序開始:2”InP晶圓上外延生長的蝕刻停止InGaAs和InGaAsP/InAlGaAs QW層直接用1100nm熱氧化物結合到4”Si晶圓的中間部分(圖2a)。薄的中間Al2O3層有助於(yu) 直接結合，以提高結合強度。然後，在HCl中通過化學蝕刻去除InP襯底，在H2SO4:H2O2:H2O混合物中通過另一種化學蝕刻去除蝕刻停止層。

在實際的器件製造之前，我們(men) 在Si中形成對準標記。首先，將光刻技術與(yu) 幹濕蝕刻技術相結合，用於(yu) 選擇性地去除晶圓專(zhuan) 用區域中的InP和SiO2。然後，電子束和DUV對準的標記通過光學接觸光刻曝光，並用SF6/O2化學蝕刻到Si上。因此，電子束和DUV形成的特征之間的對準精度從(cong) 根本上受到製造物理掩模的激光寫(xie) 入器精度的限製。對於(yu) 多次電子束曝光，我們(men) 的估計表明晶圓級統計3-sigma標準偏差低於(yu) 50 nm，並受到幹蝕刻後對準標記的側(ce) 壁粗糙度以及晶圓應力不均勻性的限製。

在Si襯底中定義(yi) 的對準標記用於(yu) 通過電子束光刻將埋置的異質結構掩膜圖案對準並暴露到高分辨率負色調氫矽倍半氧烷(HSQ)抗蝕劑中。外露HSQ的玻璃狀特性使其能夠直接作為(wei) 硬掩模用於(yu) 接下來的幹蝕刻和外延再生步驟，而不需要兩(liang) 步圖案轉移。幹式蝕刻是用HBr/CH4/Ar化學在感應耦合等離子體(ti) 蝕刻機中在180°C高溫下進行的。InP與(yu) QW層一起被移除到掩模保護區域之外(圖2b)。這些蝕刻的InP/QW區域然後在外延選擇區MOVPE再生步驟中被InP重新填充。在第一次再生之後，HSQ掩模通過HF蝕刻去除，第二次再生用於(yu) 表麵平麵化和確定最終的III-V器件層厚度為(wei) 250 nm。在第二次再生長過程中還生長了50 nm的晶格匹配InGaAs覆蓋層，以實現高質量的p接觸(圖2c)。兩(liang) 個(ge) 再生步驟在610°C溫度下進行，在650°C下進行15分鍾烘焙/去氧化步驟。盡管由於(yu) 熱膨脹係數不匹配，高溫加工對於(yu) III-V /Si粘結平台是一個(ge) 挑戰，但最終製備的InP器件層低於(yu) 臨(lin) 界厚度，超過該厚度位錯開始顯著降低材料質量。我們(men) 隻觀察到隨機分布的再生長缺陷的出現，這些缺陷很可能來自鍵合界麵的汙染部位，但不會(hui) 影響在無缺陷區域製造的器件。

載流子的電注入是通過橫向p-i-n摻雜結構實現的。為(wei) 了進行有效的載流子注入，需要將摻雜區域高精度地對準黑洞。對準DUV步進中的Si標記，我們(men) 首先暴露一組開口，通過Si離子注入形成n型摻雜區域(圖2d)。重複該過程以定義(yi) 開口以形成p型摻雜區域。在這一步中，DUV掩膜被轉移到SiO2硬掩膜上，通過Zn擴散實現p摻雜(圖2e)。Zn摻雜劑擴散活化後，SiO2硬掩膜被完全去除，InGaAs蓋被選擇性去除，形成高質量的p-觸點。

摻雜完成後，將光子晶體(ti) 腔的掩模設計對準並暴露在電子束中。圖案在兩(liang) 步幹蝕刻過程中從(cong) 電子束抗蝕劑轉移到電子束步驟之前沉積的SiNx硬掩模(圖2f)，然後從(cong) SiNx硬掩模轉移到InP層(圖2g)。在這一步中，黑洞和PhC腔之間的任何不對中都會(hui) 減少光學模式和增益區域之間的空間重疊，在極端情況下，空穴會(hui) 腐蝕QW層，使它們(men) 暴露在空氣中，這將不可避免地導致顯著的非輻射表麵重組。

最後，在n和p摻雜區域形成金屬墊(圖2h)， PhC腔通過選擇性HF蝕刻底層熱SiO2層進行膜化(圖2i)，器件製作完成。

3結果

3.1激光特性

研究了PhC激光器在室溫下的靜態性能。使用50×長工作距離物鏡采集腔體(ti) 的垂直散射光，然後將其耦合到多模光纖上，並使用光譜分析儀(yi) (OSA)進行測量。優(you) 化後的L3腔激光器的光電流和電流-電壓曲線如圖3a所示。圖3a的插圖顯示了從(cong) 自發發射到受激發射特征轉變前後的輸出功率，以及用於(yu) 計算激光閾值電流的雙線分段擬合。該器件具有10.2 μ A的超低閾值電流。

圖3：電動L3 PhC激光器。a)采集輸出功率和電壓與(yu) 注入電流的關(guan) 係。插圖顯示了閾值附近區域的L-I曲線特寫(xie) 。b) 100 μ A注入電流下的OSA跡線。c)不同注入電流下激光的光譜演化。d)峰值波長和發射峰值線寬作為(wei) 注入電流的函數。

激光是單模的，發射波長為(wei) 1541納米。在圖3b,c中，顯示了不同泵浦電流的頻譜。在圖3d中，顯示了激光的光譜演變。在自發發射狀態下，由於(yu) 載流子填充效應，發射波長發生藍移。在閾值以上，準費米能級被固定，波長紅移是由於(yu) 高光功率密度引起的加熱。同樣，激光的線寬在閾值處飽和，達到OSA的分辨率極限。

3.2無序和p-摻雜的影響

激光的一個(ge) 重要參數是激光腔的Q因子，它量化了光子的時間限製。在Si平台上，研究了具有100萬(wan) 以上超高Q因子的PhC腔。然而，對於(yu) 基於(yu) inp的PhC腔，製造缺陷將Q因子限製在10,000左右，直到最近才實現了100,000的裏程碑。此外，還沒有實驗證明(據我們(men) 所知)p摻雜對PhC腔q因子的影響。

采用交叉極化共振散射光譜法對無源InP LD腔的Q因子進行了實驗測量，實現了對腔內(nei) Q因子的直接測量。圖4a描述了L9腔的諧振散射譜。由於(yu) 反射泵浦光和離散腔模的幹擾，被測信號表現出特征的範諾共振。

圖4：a) L9腔的諧振散射譜。b)不同長度LD腔的模擬內(nei) 稟q因子、實驗內(nei) 稟q因子(不摻雜)和總q因子(摻雜)。c) PhC孔的傾(qing) 斜掃描電鏡圖像。d)被動(左)和主動(右)PhC腔。e)優(you) 化後L7腔的模擬q因子隨p-摻雜距離腔中心偏移量的變化。藍色(紅色)陰影區域顯示了被動(主動)腔的預期p摻雜偏移。虛線作為(wei) 參考。

總的來說，激光腔的Q因子受到p摻雜區吸收的限製。我們(men) 應該注意到，盡管Q因子隨著p摻雜剖麵的偏移呈指數增長，但由於(yu) 空穴的低遷移率，激光的注入效率將大幅下降。根據我們(men) 對LD激光器的測量，一個(ge) 腔的總Q因子要超過4000才能捕獲激光。

3.3熱特性

用於(yu) 芯片間和芯片內(nei) 通信的激光器的另一個(ge) 重要特性是它們(men) 在高溫下的行為(wei) ，特別是閾值電流的溫度依賴性，這最終會(hui) 影響功耗、輸出功率和激光器的使用壽命。本節重點介紹了不同環境溫度下的激光性能，也可用於(yu) 確定室溫下高注入水平下的自熱大小。

通過調節級溫，研究了基於(yu) 一個(ge) 量子阱和三個(ge) 量子阱的激光器的熱特性。溫度通過熱電冷卻器(TEC)從(cong) 20°C到79°C不等。標準3QW-L7激光器在四種不同散熱器溫度下的L-I曲線如圖5a所示。激光可達到79°C，這是所使用TEC的上限。

圖5：單量子阱和三量子阱PhC激光器的熱特性。a)基於(yu) 3qw的L7激光器在不同散熱器溫度下的L-I曲線。b)峰值波長與(yu) 溫度的函數關(guan) 係。c)不同泵送水平下活動區溫升情況。d)閾值電流依賴於(yu) 散熱器溫度。

如果PhC板周圍有低折射率材料，如SiO2或聚合物作為(wei) 散熱器，這些設備的熱性能可以大大提高。

3.4注入效率-光泵和電泵的比較

限製橫向摻雜二維PhC納米激光器效率的主要影響之一是低注入效率，從(cong) 先前演示的激光器數據估計為(wei) 1-10%。橫向摻雜幾何結構為(wei) 電泵浦和光泵浦提供了可能性，因此對兩(liang) 種泵浦方案進行了比較，以了解影響效率的限製因素。

圖6a給出了1QW-L5激光器電泵浦和光泵浦的L-I-V曲線和L-L曲線。在光泵浦方案中，將1310 nm泵浦激光耦合到單模光纖上，同時使用相同的50×物鏡進行泵浦和采集。對兩(liang) 種抽運方案的光抽運功率進行歸一化處理以匹配激光閾值。然而，我們(men) 觀察到，在電注入的情況下，輸出功率在閾值之後要低得多。這種效應歸因於(yu) 注入效率隨著施加電壓和電流的增加而下降，並且與(yu) 加熱無關(guan) ，因為(wei) 兩(liang) 種泵浦方案的激光峰值的光譜演化非常相似。波長演化如圖6b所示，表明閾值後的加熱主要是由於(yu) 循環腔內(nei) 的光場，而不是歐姆加熱。

圖6：a) L5激光器光泵浦和電泵浦輸入輸出曲線比較。b)波長演化比較。c)分別擬合光泵浦和電泵浦激光I-O曲線的常規速率方程和修正速率方程。插圖顯示了修改後的注入效率與(yu) 電動泵方案注入電流的關(guan) 係。

為(wei) 了進一步理解這種效應，不同泵浦條件下的激光光譜如圖7a所示，揭示了高階模式。為(wei) 了提高收集效率，垂直散射光被耦合到一個(ge) 多模光纖，其對準是基於(yu) 最大限度地收集1544 nm的激光峰值。光纖對準中的輕微調整可以影響模式的相對強度，盡管它們(men) 的強度主要取決(jue) 於(yu) q因子，並且遠場模式與(yu) 目標重疊。該激光器的閾值電流為(wei) 35 μ a，然而，即使在5 μ a下，也能觀察到高階腔模的顯著發射。高於(yu) 閾值時，高階模的發射大多被抑製，但隨著外加電壓和注入電流的增加，在950 nm處觀察到一個(ge) 峰值，這歸因於(yu) InP的自發發射。

圖7：a) L5激光器在不同注入電流下的實測光譜(下)和模擬光譜(上)。虛線是參考。b)實驗結果與(yu) 模擬結果對比表。c)由InGaAs相機拍攝的PhC激光顯微鏡圖像。d)使用矽相機的顯微鏡圖像。e) InP的發射剖麵熱圖，與(yu) 橫向p摻雜剖麵非常相似。f)激光人工著色的SEM圖像，描繪了電子和空穴的流動以及量子阱和p-i界麵的光子發射。g)被限製在W1波導中的黑洞活性物質橫斷麵的人工著色SEM圖像。

結構的3D-FDTD模擬頻譜如圖7a的上部所示。諧振峰和q因子的數值與(yu) 實驗值有很好的一致性，直到六激發腔模式，總結在圖7b的表中。InP發射可以通過顯微鏡裝置進行空間分辨。在圖7c中，運行激光的顯微鏡圖像是由InGaAs相機捕獲的。使用Si相機觀察p摻雜區域界麵的光子發射，如圖7d所示，表明存在顯著的泄漏電流，導致注入效率較低。圖7e描繪了InP電致發光的熱圖，清楚地勾勒出p摻雜界麵。由於(yu) 空穴的遷移率較低，載流子重組發生在p-i界麵附近，預計將比電子的遷移率低30倍。泄漏的機理如圖7f,g所示，其中電子顯微照片的頂部和橫斷麵視圖被人為(wei) 上色。在這些圖片中，電子和空穴用藍色和橙色箭頭表示，而QW和InP光子分別用紅色和藍色波浪箭頭表示。泄漏路徑在垂直方向和橫向方向都已確定，因此p摻雜剖麵的形狀和偏移量必須進行優(you) 化。

4結論

在這項工作中，我們(men) 報道了一個(ge) L3光子晶體(ti) 納米激光器在室溫下的連續波電操作，其超低閾值電流為(wei) 10.2µA，發射波長為(wei) 1540 nm。活性材料由掩藏異質結構區域中的量子阱組成，其中載流子通過橫向p-i-n結注入。詳細介紹了設計方法和製備工藝。通過對InP線缺陷腔的交叉極化共振散射測量，實驗定量了無序和p摻雜對Q因子的影響。將實驗結果與(yu) 模擬結果進行了補充，推導出p摻雜區的吸收係數為(wei) 120，模態吸收為(wei) 17 cm−1。因此，激光腔的Q因子估計為(wei) 8000，主要是由於(yu) p摻雜吸收造成的損失。此外，實驗熱分析表明，在正常工作條件下，活性區域的溫度升高很小，主要取決(jue) 於(yu) 循環光場的強度，而不是歐姆損失。然而，該閾值被表明受到熱沉溫度的強烈影響，其特征溫度為(wei) 35°，這就需要在未來的設計中采用低指數包層。通過對光泵、電泵方案的比較和激光速率方程的擬合，確定了注入效率為(wei) 3%。最後，對p-i界麵的InP發射進行了光譜和空間分辨，證明存在顯著的泄漏電流限製了橫向摻雜光子晶體(ti) 納米激光器的注入效率。

文章來源：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202200109?utm_medium=referral&utm_source=baidu_scholar&utm_campaign=RWA17109&utm_content=Global_Marketing_PS_Laser_