信息和通信技術(shù)(ICT)蓬勃發(fā)展，提供了改變生活的服務(wù)方式，需要越來越多的數(shù)據(jù)處理、存儲和通信。在過去十年中，ICT服務(wù)以指數(shù)級速度增長，預(yù)計到2030年將占全球用電量的很大一部分，因此需要新的節(jié)能解決方案。

摘要：實現(xiàn)片上通信的光互連需要超低能耗、高性能的光源。光子晶體(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(xù)波PhC納米激光器，在工作在室溫下其超低閾值電流為10.2 μ a，發(fā)射波長為1540 nm。該激光器是基于inp的硅(Si)鍵合激光器，由掩藏異質(zhì)結(jié)構(gòu)有源區(qū)和橫向p-i-n結(jié)組成，具有CMOS兼容驅(qū)動電壓和低自發(fā)熱特性。載流子泄漏是橫向泵注方案的一個基本限制，它被認為是InP p-i界面的不必要的自發(fā)輻射，將注入效率限制在3%，并且在更高的電流下進一步降低。實驗研究了制備無序性和p摻雜吸收對Q因子的影響，結(jié)果表明p摻雜將Q因子限制在8000,p摻雜吸收系數(shù)為120 cm-1。

1介紹

信息和通信技術(shù)(ICT)蓬勃發(fā)展，提供了改變生活的服務(wù)方式，需要越來越多的數(shù)據(jù)處理、存儲和通信。在過去十年中，ICT服務(wù)以指數(shù)級速度增長，預(yù)計到2030年將占全球用電量的很大一部分，因此需要新的節(jié)能解決方案。由于光通信在帶寬、速度和功耗方面具有優(yōu)勢，并且已經(jīng)通過垂直腔面發(fā)射激光器(VCSELs)用于數(shù)據(jù)中心和超級計算機的短距離通信，因此從電互連到光互連的過渡已經(jīng)實現(xiàn)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的游戲規(guī)則，然而，傳統(tǒng)光源無法滿足低功耗的要求。

光子晶體(PhC)納米激光器已經(jīng)被各個研究小組開發(fā)出來，并顯示出巨大的潛力和豐富的物理性質(zhì)，然而，這些研究大多局限于光泵浦，而電操作是在脈沖泵浦或低溫下實現(xiàn)的。最近，這一陡峭性的技術(shù)障礙已經(jīng)被克服，單片和非均勻集成的電泵浦PhC激光器實現(xiàn)了連續(xù)波室溫工作。

對于片上通信，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，因為它具有較高的光學(xué)約束，并且易于轉(zhuǎn)移到非原生襯底(如Si上的III-V)。然而，由于膜的包覆層通常是空氣或絕緣體，電極應(yīng)該移動到設(shè)備的一側(cè)，這對載流子注入技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。載流子注入的兩種可能是在膜外延生長過程中形成的常規(guī)垂直p-i-n結(jié)，或活性物質(zhì)保持未摻雜的橫向p-i-n結(jié)，而摻雜區(qū)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，但由于摻雜區(qū)域的局部化和平面加工的保留，橫向摻雜更加通用。橫向注入和掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)活性區(qū)域的組合在數(shù)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(yōu)于基于橫向載流子注入的激光器。因此，了解橫向p-i-n結(jié)的特性和局限性對于開發(fā)超低功耗納米激光器和納米LEDs至關(guān)重要。

在這項工作中，我們研究了電注入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(qū)域和橫向載流子注入，并通過直接鍵在Si上進行非均勻集成。我們演示了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(fā)射的連續(xù)波操作。基于最先進的器件，我們研究了橫向載流子注入方案在泄漏電流方面的局限性。此外，我們對被動PhC腔進行了表征，以量化無序和p摻雜吸收對激光腔質(zhì)量(Q)因子的影響。研究了激光器在環(huán)境溫度和自加熱條件下的熱特性，由于p-i界面自發(fā)發(fā)射InP的載流子泄漏，確定了低3%的注入效率。

2設(shè)計與制作

2.1設(shè)備結(jié)構(gòu)

線缺陷(LD) PhC激光器的原理圖如圖1a所示。LD腔用于限制光子，并通過沿三角形PhC晶格方向省略一些孔來創(chuàng)建?；钚越橘|(zhì)由一個掩藏的異質(zhì)結(jié)構(gòu)(BH)組成，包含一個或三個InGaAsP/InAlGaAs QWs，它被放置在限制載流子的PhC腔內(nèi)。載流子通過橫向p-i-n結(jié)方案注入到黑洞區(qū)。

圖1：a)激光器原理圖。b)優(yōu)化后L3 PhC腔基模磁場分布。c)在q因子優(yōu)化之前(上)和之后(下)以對數(shù)尺度繪制的倒數(shù)空間中Ey的二維傅里葉變換。黑色實心圓圈表示光錐。d) q因子優(yōu)化前(左)和優(yōu)化后(右)腔體泄漏組分可視化?？孜徽{(diào)整分別表示為中心、第一和第二水平PhC行Si、Ti和Ui。

為了在保持高Q因子的同時獲得C波段的激光波長，PhC晶格常數(shù)、半徑和InP板厚分別選擇為440、120和250 nm?？装霃皆谄骷g變化，以補償晶圓上膜厚度的變化，并在腔共振和活性介質(zhì)的光致發(fā)光峰之間提供更好的重疊。在這項工作中，空腔設(shè)計是不同長度的標(biāo)準(zhǔn)LD空腔(從均勻晶格中去除的孔)。通過調(diào)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(yōu)化腔的基模磁場。為了實現(xiàn)高Q因子，位于光錐內(nèi)的空間頻率分量需要最小化。圖1c顯示了優(yōu)化前后Ey場的二維傅里葉變換。通過后續(xù)傅里葉反變換在真實空間中可視化泄漏場分量并調(diào)整泄漏區(qū)域周圍孔的位置，優(yōu)化了Q因子。優(yōu)化前后的泄漏場剖面如圖1d所示。由于優(yōu)化后的泄漏場被抑制，其強度必須放大100倍才能與未優(yōu)化的泄漏場相當(dāng)。PhC排中心、第一、第二排第i個孔的位置位移分別記為S、T、U，其值計入圖中。采用這種直觀的優(yōu)化方法，通過調(diào)整7個PhC孔的位置，將Q因子從5000提高到1.1*106。

2.2制作工藝

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

圖2：該裝置的制作過程。a)在Si/SiO2晶圓上直接粘接InP晶圓。b)干式晶圓蝕刻后形成HSQ掩模保護臺面結(jié)構(gòu)。c) InP第二次再生后形成掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)。d)硅離子注入后的晶片，去除用于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。g)兩步干蝕刻后的晶圓。h)使用升壓工藝的金屬化。i) PhC結(jié)構(gòu)的膜化。

掩藏異質(zhì)結(jié)構(gòu)、光子晶體腔和摻雜p區(qū)和n區(qū)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的，但我們選擇深紫外(DUV)光刻來定義摻雜區(qū)域，因為它們的整體尺寸要大得多。由于我們的DUV工具對晶圓的最小直徑施加了限制，我們使用帶有熱氧化層的4”硅作為載體晶圓，我們直接在其上結(jié)合2”InP晶圓。在我們的潔凈室設(shè)施中，由于沒有合適的III - V加工設(shè)備，使用更大直徑的晶圓受到很大限制。

激光器件加工從以下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(jié)合到4”Si晶圓的中間部分(圖2a)。薄的中間Al2O3層有助于直接結(jié)合，以提高結(jié)合強度。然后，在HCl中通過化學(xué)蝕刻去除InP襯底，在H2SO4:H2O2:H2O混合物中通過另一種化學(xué)蝕刻去除蝕刻停止層。

在實際的器件制造之前，我們在Si中形成對準(zhǔn)標(biāo)記。首先，將光刻技術(shù)與干濕蝕刻技術(shù)相結(jié)合，用于選擇性地去除晶圓專用區(qū)域中的InP和SiO2。然后，電子束和DUV對準(zhǔn)的標(biāo)記通過光學(xué)接觸光刻曝光，并用SF6/O2化學(xué)蝕刻到Si上。因此，電子束和DUV形成的特征之間的對準(zhǔn)精度從根本上受到制造物理掩模的激光寫入器精度的限制。對于多次電子束曝光，我們的估計表明晶圓級統(tǒng)計3-sigma標(biāo)準(zhǔn)偏差低于50 nm，并受到干蝕刻后對準(zhǔn)標(biāo)記的側(cè)壁粗糙度以及晶圓應(yīng)力不均勻性的限制。

在Si襯底中定義的對準(zhǔn)標(biāo)記用于通過電子束光刻將埋置的異質(zhì)結(jié)構(gòu)掩膜圖案對準(zhǔn)并暴露到高分辨率負色調(diào)氫硅倍半氧烷(HSQ)抗蝕劑中。外露HSQ的玻璃狀特性使其能夠直接作為硬掩模用于接下來的干蝕刻和外延再生步驟，而不需要兩步圖案轉(zhuǎn)移。干式蝕刻是用HBr/CH4/Ar化學(xué)在感應(yīng)耦合等離子體蝕刻機中在180°C高溫下進行的。InP與QW層一起被移除到掩模保護區(qū)域之外(圖2b)。這些蝕刻的InP/QW區(qū)域然后在外延選擇區(qū)MOVPE再生步驟中被InP重新填充。在第一次再生之后，HSQ掩模通過HF蝕刻去除，第二次再生用于表面平面化和確定最終的III-V器件層厚度為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(xiàn)高質(zhì)量的p接觸(圖2c)。兩個再生步驟在610°C溫度下進行，在650°C下進行15分鐘烘焙/去氧化步驟。盡管由于熱膨脹系數(shù)不匹配，高溫加工對于III-V /Si粘結(jié)平臺是一個挑戰(zhàn)，但最終制備的InP器件層低于臨界厚度，超過該厚度位錯開始顯著降低材料質(zhì)量。我們只觀察到隨機分布的再生長缺陷的出現(xiàn)，這些缺陷很可能來自鍵合界面的污染部位，但不會影響在無缺陷區(qū)域制造的器件。

載流子的電注入是通過橫向p-i-n摻雜結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的。為了進行有效的載流子注入，需要將摻雜區(qū)域高精度地對準(zhǔn)黑洞。對準(zhǔn)DUV步進中的Si標(biāo)記，我們首先暴露一組開口，通過Si離子注入形成n型摻雜區(qū)域(圖2d)。重復(fù)該過程以定義開口以形成p型摻雜區(qū)域。在這一步中，DUV掩膜被轉(zhuǎn)移到SiO2硬掩膜上，通過Zn擴散實現(xiàn)p摻雜(圖2e)。Zn摻雜劑擴散活化后，SiO2硬掩膜被完全去除，InGaAs蓋被選擇性去除，形成高質(zhì)量的p-觸點。

摻雜完成后，將光子晶體腔的掩模設(shè)計對準(zhǔn)并暴露在電子束中。圖案在兩步干蝕刻過程中從電子束抗蝕劑轉(zhuǎn)移到電子束步驟之前沉積的SiNx硬掩模(圖2f)，然后從SiNx硬掩模轉(zhuǎn)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減少光學(xué)模式和增益區(qū)域之間的空間重疊，在極端情況下，空穴會腐蝕QW層，使它們暴露在空氣中，這將不可避免地導(dǎo)致顯著的非輻射表面重組。

最后，在n和p摻雜區(qū)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)，器件制作完成。

3結(jié)果

3.1激光特性

研究了PhC激光器在室溫下的靜態(tài)性能。使用50×長工作距離物鏡采集腔體的垂直散射光，然后將其耦合到多模光纖上，并使用光譜分析儀(OSA)進行測量。優(yōu)化后的L3腔激光器的光電流和電流-電壓曲線如圖3a所示。圖3a的插圖顯示了從自發(fā)發(fā)射到受激發(fā)射特征轉(zhuǎn)變前后的輸出功率，以及用于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注入電流的關(guān)系。插圖顯示了閾值附近區(qū)域的L-I曲線特寫。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(fā)射峰值線寬作為注入電流的函數(shù)。

激光是單模的，發(fā)射波長為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(fā)發(fā)射狀態(tài)下，由于載流子填充效應(yīng)，發(fā)射波長發(fā)生藍移。在閾值以上，準(zhǔn)費米能級被固定，波長紅移是由于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

激光的一個重要參數(shù)是激光腔的Q因子，它量化了光子的時間限制。在Si平臺上，研究了具有100萬以上超高Q因子的PhC腔。然而，對于基于inp的PhC腔，制造缺陷將Q因子限制在10,000左右，直到最近才實現(xiàn)了100,000的里程碑。此外，還沒有實驗證明(據(jù)我們所知)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(xiàn)了對腔內(nèi)Q因子的直接測量。圖4a描述了L9腔的諧振散射譜。由于反射泵浦光和離散腔模的干擾，被測信號表現(xiàn)出特征的范諾共振。

圖4：a) L9腔的諧振散射譜。b)不同長度LD腔的模擬內(nèi)稟q因子、實驗內(nèi)稟q因子(不摻雜)和總q因子(摻雜)。c) PhC孔的傾斜掃描電鏡圖像。d)被動(左)和主動(右)PhC腔。e)優(yōu)化后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(qū)域顯示了被動(主動)腔的預(yù)期p摻雜偏移。虛線作為參考。

總的來說，激光腔的Q因子受到p摻雜區(qū)吸收的限制。我們應(yīng)該注意到，盡管Q因子隨著p摻雜剖面的偏移呈指數(shù)增長，但由于空穴的低遷移率，激光的注入效率將大幅下降。根據(jù)我們對LD激光器的測量，一個腔的總Q因子要超過4000才能捕獲激光。

3.3熱特性

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

通過調(diào)節(jié)級溫，研究了基于一個量子阱和三個量子阱的激光器的熱特性。溫度通過熱電冷卻器(TEC)從20°C到79°C不等。標(biāo)準(zhǔn)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)基于3qw的L7激光器在不同散熱器溫度下的L-I曲線。b)峰值波長與溫度的函數(shù)關(guān)系。c)不同泵送水平下活動區(qū)溫升情況。d)閾值電流依賴于散熱器溫度。

如果PhC板周圍有低折射率材料，如SiO2或聚合物作為散熱器，這些設(shè)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

限制橫向摻雜二維PhC納米激光器效率的主要影響之一是低注入效率，從先前演示的激光器數(shù)據(jù)估計為1-10%。橫向摻雜幾何結(jié)構(gòu)為電泵浦和光泵浦提供了可能性，因此對兩種泵浦方案進行了比較，以了解影響效率的限制因素。

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，我們觀察到，在電注入的情況下，輸出功率在閾值之后要低得多。這種效應(yīng)歸因于注入效率隨著施加電壓和電流的增加而下降，并且與加熱無關(guān)，因為兩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，表明閾值后的加熱主要是由于循環(huán)腔內(nèi)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(guī)速率方程和修正速率方程。插圖顯示了修改后的注入效率與電動泵方案注入電流的關(guān)系。

為了進一步理解這種效應(yīng)，不同泵浦條件下的激光光譜如圖7a所示，揭示了高階模式。為了提高收集效率，垂直散射光被耦合到一個多模光纖，其對準(zhǔn)是基于最大限度地收集1544 nm的激光峰值。光纖對準(zhǔn)中的輕微調(diào)整可以影響模式的相對強度，盡管它們的強度主要取決于q因子，并且遠場模式與目標(biāo)重疊。該激光器的閾值電流為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(fā)射。高于閾值時，高階模的發(fā)射大多被抑制，但隨著外加電壓和注入電流的增加，在950 nm處觀察到一個峰值，這歸因于InP的自發(fā)發(fā)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(jié)果與模擬結(jié)果對比表。c)由InGaAs相機拍攝的PhC激光顯微鏡圖像。d)使用硅相機的顯微鏡圖像。e) InP的發(fā)射剖面熱圖，與橫向p摻雜剖面非常相似。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界面的光子發(fā)射。g)被限制在W1波導(dǎo)中的黑洞活性物質(zhì)橫斷面的人工著色SEM圖像。

結(jié)構(gòu)的3D-FDTD模擬頻譜如圖7a的上部所示。諧振峰和q因子的數(shù)值與實驗值有很好的一致性，直到六激發(fā)腔模式，總結(jié)在圖7b的表中。InP發(fā)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(qū)域界面的光子發(fā)射，如圖7d所示，表明存在顯著的泄漏電流，導(dǎo)致注入效率較低。圖7e描繪了InP電致發(fā)光的熱圖，清楚地勾勒出p摻雜界面。由于空穴的遷移率較低，載流子重組發(fā)生在p-i界面附近，預(yù)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面視圖被人為上色。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摻雜剖面的形狀和偏移量必須進行優(yōu)化。

4結(jié)論

在這項工作中，我們報道了一個L3光子晶體納米激光器在室溫下的連續(xù)波電操作，其超低閾值電流為10.2μA，發(fā)射波長為1540 nm。活性材料由掩藏異質(zhì)結(jié)構(gòu)區(qū)域中的量子阱組成，其中載流子通過橫向p-i-n結(jié)注入。詳細介紹了設(shè)計方法和制備工藝。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(jié)果與模擬結(jié)果進行了補充，推導(dǎo)出p摻雜區(qū)的吸收系數(shù)為120，模態(tài)吸收為17 cm?1。因此，激光腔的Q因子估計為8000，主要是由于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(qū)域的溫度升高很小，主要取決于循環(huán)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35°，這就需要在未來的設(shè)計中采用低指數(shù)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3%。最后，對p-i界面的InP發(fā)射進行了光譜和空間分辨，證明存在顯著的泄漏電流限制了橫向摻雜光子晶體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_