Extremely Low-Threshold Current Density InGaAs/AlGaAs Quantum-Well Lasers on Silicon

Abstract

Abstract-An InGaAs/AlGaAs quantum-well laser structure was grown on a silicon substrate by adopting a three-step grown thin (1.8 μm) and simple buffer layer. The whole structure was grown by metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD). The material quality was characterized by transmission electron microscopy, photoluminescence spectra, and electrochemical capacitance-voltage profiler. It shows that the threading dislocation density and interface roughness are effectively reduced. And the active region's optical properties grown on a silicon substrate are comparable to that grown on a GaAs substrate. Broad stripe lasers have also been fabricated. The cavity length and stripe width are 1 mm and 15 μm, respectively. An extremely low threshold current density of 313 A/cm 2 has been achieved under pulsed condition at room temperature. Meanwhile, the laser can operate under continuous wave condition at the temperature of 240K. The above results make us more confident for realizing better performance of Si-based Ⅲ-Ⅴsemiconductor lasers by further improvement of the material growth method.

Theoretical Study on the Effects of Dislocations in Monolithic III-V Lasers on Silicon

“…Together with the lack of systematic studies comparing similar devices at varying dislocation densities, this makes these data insufficient for the identification of reliable performance trends. Bearing in mind that QD lasers in general can intrinsically have lower threshold currents due to their reduced active region volume, the many publications reporting QW laser threshold current densities of several kA/cm 2 [21], [23]- [25], as opposed to the few published sub-kA/cm 2 thresholds [23], [26]- [28], suggest nevertheless that QW lasers are more susceptible to dislocation-induced threshold current increase. Although the literature is much less clear with respect to a possible light-current (LI) slope dependence due to the influence of the laser cavity and active region design, the authors of [29] and [30] report a distinct slope efficiency drop with rising dislocation number.…”

Стимулированное излучение в диапазоне 1.3-1.5 мкм из квантовых ям AlGaInAs в гибридных светоизлучающих структурах A-=SUP=-III-=/SUP=-B-=SUP=-V-=/SUP=- на кремниевых подложках

“…В последние годы эти проблемы довольно успешно решаются за счет использования подложек Si(001), отклоненных от кристаллографического направления (001) на несколько градусов (далее -отклоненные Si-подложки), а также применения различных буферных слоев и дислокационных фильтров (см., например, [2]). Так, ранее было получено стимулированное излучение в диапазоне 0.95−1.1 мкм при комнатной температуре в структурах с квантовыми ямами (КЯ) InGaAs/AlGaAs/GaAs, выращенных как на отклоненных подложках Si(001) [3], позволяющих минимизировать формирование антифазных дефектов, так и на точно ориентированных подложках Si(001) [4], применяемых в современной микроэлектронике. Однако очевидным условием для возможности практического применения гибридных A III B V /Si--лазеров в кремниевой интегральной оптоэлектронике в сочетании с хорошо развитой элементной базой на основе кремниевых волноводов, модуляторов, фотоприемных и других устройств [1,5,6] является разработка лазеров, излучающих в области прозрачности объемного кремния (длины волн λ > 1.2 мкм).…”

Применение компенсирующих слоев GaAsP для роста лазерных гетероструктур с квантовыми ямами InGaAs/GaAs, излучающих на длинах волн больше 1100 нм, на искусственных подложках Ge/Si

“…К настоящему времени достигнут заметный прогресс в гибридной интеграции лазерных структур с квантовыми ямами (КЯ) InGaAs/GaAs на подложках Si c метаморфным слоем Ge. Была показана возможность создания подобных лазеров, работающих в области длин волн ∼ 1000 нм [1,2], а затем и ∼ 1100 нм [3,4]. Однако для использования гибридных A III B V -лазеров в кремниевых оптических межсоединениях необходимо еще более длинноволновое излучение, попадающее в область прозрачности объемного кремния (длины волн λ > 1100 нм при комнатной температуре).…”