摘要
硅基光电集成系统致力于提升通信数据传输速度和降低功耗，硅基光电子已成为科研界与工业界的热门研究方向。目前，大多数硅基光电集成系统中的电光调制器、光滤波器、分波与合波器、光电探测器已经被成功的实现了。然而，硅基光子学一直面临的问题是硅无法制成有效的发光源，基于硅是间接带隙。科研界正探寻一种高效可靠的硅基光源制备方式。量子点因其结构特殊性十分适合作为硅基激光器有源区，一种有希望实现高质量硅基光源的方法就是将Ⅲ-Ⅴ族量子点集成到硅上。目前已有许多方法能将Ⅲ-Ⅴ族材料集成到硅上，基于材料外延的方式大多需要预制衬底工艺或者极厚的位错过滤层。以Ge作为中介层过渡到GaAs，继而生长InAs量子点激光器结构只需要较薄的过渡层且无需设备切换。使用具备Ⅳ族腔体和Ⅲ-Ⅴ族腔体的分子束外延设备，可实现全MBE的生产方式实现高质量硅基片上集成光源，生产成本低、效率高，具有重大实际应用潜力。 本工作针对硅基光源，通过分子束外延技术，以Ge作为中介层实现硅到Ⅲ-Ⅴ过渡，继续生长1.3μm波段InAs量子点激光器全结构，最后通过标准工艺制作封装硅基激光器，并对硅基激光器进行了表征测试。取得的成果如下: 1.系统研究了InAs量子点的生长条件。生长温度偏低会导致In原子在表面扩散距离短从而形成大量团簇，生长温度偏高会使量子点之间的间距增大，密度下降。生长过程中，InAs的沉积厚度与InAs量子点密度成正相关，密度低的InAs量子点发光强度低，但是InAs沉积厚度过高会形成大量团簇，反而使得最终的InAs量子点发光强度降低。经过系统研究量子点中的生长温度和InAs沉积厚度，在所用的设备上获得分子束外延生长方法制备InAs量子点的最佳生长条件为620℃沉积2.4ML的InAs。 2.采用经典的低高温两步生长方法可以在Si上完成到Ge的过渡，并且缺陷密度控制在106cm-2以下保证后续的高质量生长。利用6°偏角的Si衬底作为基底可以运用其表面的双原子台阶抑制Ⅳ族过渡到Ⅲ-Ⅴ族的反相畴，同时采用迁移增强外延技术和低温GaAs可以保证在SiGe上生长出高质量的GaAs。由于4寸的晶圆与优化InAs量子点采用的小晶圆不一样，需要考虑衬底温区分布和束流源的角度引起的束流分布，对此使用PL mapping优化了4寸晶圆的InAs量子点生长条件。在经典SCH激光器结构的基础之上，在不破坏光场限制的条件下增加了超晶格以提高电导率。在所有生长条件齐全之后，完成了硅基InAs量子点激光器的生长，并制作了激光器器件。 3.完成硅基激光器的外延生长和工艺之后，又对激光器的进行封装测试和分析，硅基FP腔激光器室温连续激射波长位于1.31μm附近，特征温度为30K-40K，受温度影响的红移速度为0.5nm/K均与己报道的硅基InAs量子点激光器的结果相当。本报道中的最佳硅基激光器最高工作温度可达80℃，20℃连续工作模式下，阈值电流密度为375A/cm2，最高输出功率可达62mW，达到较高水平。为探索硅基激光器在粗波分复用领域的应用，也成功制作了4通道硅基InAs量子点DFB激光器。
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