研究人员报道了使用离子切片和分子束外延在硅 （Si） 衬底上的绝缘体磷化铟 （InPOI） 上产生的 2.1μm 激光器 [Jiajie Lin et al， Optics Express， v32， p19655， 2024]。
来自嘉兴大学、上海微系统与信息技术研究所、中国电子科技集团公司和上海技术物理研究所的团队将高温激光性能的提高归因于硅相对较高的导热性。
研究人员从电子和光子学的日益集成中看到了超级计算和云计算中下一代光网络的机会。
该团队评论说：“2-3μm波长的光谱范围在军事、光谱传感、医疗和工业应用中至关重要，因为该波段包括透明的大气窗口，并跨越了许多化学分子的吸收带。
由于晶格（8%）和热膨胀系数（73%）等因素的巨大差异，InP在Si上的直接外延往往会导致高缺陷水平。
使用离子切片制备InPOI底物。离子切片提高了重复使用源InP衬底的前景，避免了传统晶圆键合场景中破坏性衬底去除过程的常见浪费。
切片是通过将氢离子和氦离子共注入单晶InP来实现的。InP被转移并亲水键合到二氧化硅（SiO2）层在硅衬底上。在氮气中400°C退火半小时后，离子弱化层与块体InP分离。
通过化学机械抛光 （CMP） 去除离子注入表面损伤。研究人员报告说，他们的激光产量受到CMP后洗涤过程不佳的影响，该过程在表面上留下了颗粒。最终的InP厚度为473nm。他们希望在今后的工作中能够改进这一进程。
通过气源分子束外延（GSMBE）生长了多量子阱（MQW）激光外延结构。三个三角形QW由砷化铟镓组成，采用数字合金生长技术，平均铟含量为53%至100%至53%。分离屏障为砷化铟镓（In0.53加语0.47作为）。
GSMBE工艺使用标准化的体积InP参数，不考虑InP和Si之间的热导率/膨胀差异。 光致发光测量显示QW峰值波长对衬底的依赖性：InPOI为2140nm，InP为2090nm。这种差异主要归因于残余应变变化。次要影响可能是生长温度的微小差异，导致成分变化。由于基板的导热系数差异，预计温度会有所不同。
波导层由砷化铟镓磷化物（InGaAsP）组成。在散装 InP 上生产的激光器使用更薄的 1μm N-InP 缓冲层。InPOI上较厚的2μm缓冲液旨在降低由异质衬底引起的串联电阻。+
根据原子力显微镜（AFM），InPOI的表面粗糙度为2.7nm，InP的表面粗糙度为0.138nm。由于CMP工艺中存在颗粒，InPOI在激光晶圆上的偏差达到15nm。
研究人员评论说：“预计在InPOI异质衬底优化的CMP条件下，可以实现具有较低RMS粗糙度值的外延层。
该团队使用光刻和湿法蚀刻制造了脊激光器。使用等离子体增强的化学气相沉积氮化硅，厚度为300nm。p电极由钛/铂/金组成，n电极由锗/金/镍/金组成。
该材料被切割成 1 毫米长的激光棒。
室温（20°C）下脊激光器的阈值电流密度近似恒定：0.79kA/cm2在 InP 和 1.06kA/cm 上2在InPOI上（图2）。与光致发光一样，衬底结构影响了激光峰值波长：InP和InPOI上14μm宽的脊分别为2.125μm和2.11μm。该团队的解释延续了光致发光观测。
在InPOI和InP上分别对14μm宽的脊设备进行了78K至283K和313K的温度相关连续波（CW）激光测量。283K（10°C）时的CW激光阈值为1.3kA/cm2在 InPOI 上，与 0.76kA/cm 相比2在 InP 上。在InP和InPOI上达到的最大单面激光功率分别为11.5mW和3.1mW。脉冲驱动电流将阈值降低至0.65kA/cm2和 1.03kA/cm2InP 和 InPOI，分别为 283K。
该团队还研究了激光波长在1.2倍阈值电流注入14μm宽脊设备时的温度依赖性。在CW模式下，InPOI和InP衬底的波长（红）移位率分别为0.89nm/K和0.91nm/K。
研究人员评论说：“在操作过程中，硅的高导热性降低了活性区域的热效应对自热引起的红移的影响。
对于脉冲模式操作，两种基板类型上的激光器的位移率降低到0.87nm/K。
