半导体材料科学重点实验室和科学院大学声称，通过空间分离共掺杂，砷化铟（InAs）量子点（QD）激光器在硅（Si）上显着提高了性能[王帅等，光学快报，v31，p20449，2023]。
研究人员将性能的改善归因于器件有源光产生区域中“通过n型直接掺杂对量子点周围的非辐射复合中心进行有效钝化”（图1）。该区域由五个砷化铟镓（InGaAs）井组成，这些井由p掺杂（铍）GaAs屏障隔开。InAs量子点生长在掺杂硅的孔中，浓度为4.4x1010点/厘米2密度。
研究人员评论了量子点n掺杂的影响：“量子点激光器的载流子损耗降低，模式增益得到改善，特别是在高注入电流和工作温度下的情况。
以前，已经发现QD激光器中势垒的调制p掺杂可有效补偿器件工作期间的空穴损耗，从而改善差分增益、温度稳定性和小信号调制响应。然而，一个缺点是由于较高的非辐射俄歇复合速率而导致阈值电流增加，从而对功耗产生负面影响。
掺杂量子点n型导致阈值电流密度更低，斜率效率更高，线宽增强因子更小，近场激光点更窄。与p型势垒和n型点的共掺杂已被证明可以降低功耗并提高热稳定性。在硅衬底上部署共掺杂技术有可能补偿III-V族外延层材料质量降低（缺陷增加）。
研究人员评论说：“这项工作显示了共掺杂技术的巨大前景，用于增强硅基QD激光器的性能，以降低功耗，提高温度稳定性和更高的工作温度，以促进未来低成本和高性能硅光子芯片的发展。
通过在Si（001）模板上的磷化镓（GaP）上对固态分子束外延（MBE）进行激光材料结构生长，以避免反相边界缺陷。
2700nm III-V缓冲器由1600nm GaAs、200nm位错滤光片（DFL）和900nm GaAs间隔层组成。DFL包含十组超晶格应变层（10nm In0.14加语0.86As/10nm GaAs）。循环退火改善了晶体结构。螺纹位错密度估计低至8.7x106/厘米2.
波导层为砷化镓，包层为砷化铝镓（Al0.4加语0.6作为）。
在未对量子点进行n掺杂的情况下生长了参考材料。掺杂浓度约为1x1018/厘米3.对于屏障p型掺杂，这相当于约13.6个孔/点;据估计，对于较小体积的点，掺杂产生大约1.6个电子/点。
将外延材料制成标准的6μmx1mm脊波导激光二极管（LD）。裂解的刻面涂有由二氧化硅和五氧化二钽（SiO）组成的97%反射介电堆栈2/Ta2O5） 层。
p+n共掺杂QD激光器实现了28.1mA（468A/cm）的阈值电流2） 在室温 （25°C） 下连续波 （CW） 操作。仅p二极管具有40.3mA （672A/cm）2） 阈值。其他报道的仅 p QD 半导体激光管已达到低至 266A/cm 的阈值2，建议改进和优化的空间。
共掺杂半导体激光管的最大功率输出达到69mW，而仅p器件达到55mW。饱和电流分别为375mA和335mA。两款器件的斜率效率在0mA注入电流下约为27.200W/A。
n+p和p掺杂半导体激光管的基态激光波长分别为1305nm（40mA）和1296nm（50mA）。
激光二极管的热性能在 15°C 至 115°C 之间的脉冲模式下进行评估。 在最高温度下，共掺杂器件的阈值为102mA，而仅p半导体激光管的阈值为267mA。共掺杂二极管在8°C时的最大功率输出为115mW。 阈值的特征温度（T0），15-85°C，共掺杂器件和仅p器件分别为102K和87K。边坡效率的相应特性（T1），15-55°C分别为556K和513K。
研究人员报告说，n+p半导体激光管在1342°C的2mA连续操作下保持基态激光，峰值波长约为175.115nm（图2），并补充说：“据我们所知，这一结果优于迄今为止报告的最高连续工作温度，用于在001°C的Si（108）上生长的p掺杂单独QD激光器，并且接近119°的边角料硅（不兼容CMOS）的最佳值C."
该团队期望通过优化材料质量、掺杂浓度、设备工艺和包装技术来改进。
