这一篇笔记调研下硅基III-V族量子点激光器。之前的笔记 硅光芯片的光源中提到在Si上直接外延生长III-V族材料，进而加工结构形成激光器。本篇笔记对此做更详细的介绍。
先从量子点激光器说起。量子点(quantum dot)是三个空间维度都受限制的纳米结构，是0维量子系统。量子点的典型尺寸为几十纳米。与体块材料结构相比，电子被束缚在量子点中，其能级不再是连续变化的能带结构，而是分立的能级，这与原子能级类似。因此量子点又被称为人造原子。
二维受限的结构为量子阱(quantum well)结构，电子可以在平面内自由移动。目前商用的III-V族激光器大都采用量子阱结构。 一维受限的纳米结构为量子线结构，电子可以沿纳米线的长度方向移动。这几种结构的示意图，态密度，载流子分布图如下图所示，
（图片来自文献1）
从上图中可知，对于量子点结构，其载流子只占据某一能级，分布较窄，而其他三种结构中载流子的能量分布较宽。由于这一性质，量子点结构更容易达到粒子数反转，意味着量子点激光器的阈值电流较低。在量子阱激光器中，注入的载流子受到热激发，会从低能级跃迁到高能级，高能级的载流子复合会导致阈值电流的提高，从而降低激光器的光电转换效率。而对于量子点结构，由于其能量分布非常窄，不存在这一现象，因此量子点激光器对温度不敏感，可以工作在较高的温度。
量子点有多种生成方式，包括胶体生长法、外延生长等。对于III-V族材料，所采用的方法是外延生长的方法，形成的量子点呈金字塔形。下图是量子点阵列的示意图，
（图片来自 http://iopscience.iop.org/article/10.1088/09574484/23/30/305708）
量子点的尺寸决定了其能级机构，也就决定了其发射波长。因此，需要对量子点的尺寸进行精确地控制，保证其均匀性。目前已经有商用的III-V族量子点激光器，只是衬底材料是III-V材料，而不是硅。
在硅材料上直接生长III-V族材料，由于晶格常数的不匹配，热膨胀系数的差异，在生长过程中会形成位错。位错会形成非辐射复合中心，从而降低器件的发光效率。如果采用量子阱结构，位错在薄膜层中会传递，从而恶化器件性能。但对于量子点结构，由于量子点是一个个分立的金字塔，如果某一个量子点处存在位错，其他的量子点并不受该位错的影响，仍然可以较好地发光，从而导致其性能相比量子阱结构有较大提升。下图是有位错的量子点结构示意图，红线表示位错，左右分别表示两种不同类型的位错。
（图片来自文献2）
硅基III-V族量子点激光器的难点是材料的生长，如何有效地降低位错密度。为此，大家各显神通，有些通过Ge作为缓冲层，有些直接生长GaAs。文献2中，研究人员先在Si上生长一层6nm后AlAs的成核层(nucleation layer), 进而分三步生长GaAs层作为缓冲层，后续再生长多个InGaAs层，作为位错过滤层（dislocation filter layer），进一步降低位错密度。经过这一系列复杂膜层结构的生长，最终的位错密度为10^-5 /cm^2。整个激光器的结构示意图如下，
（图片来自文献2）
该激光器的阈值电流密度为62.5A/cm^2, 输出功率为105mW, 最高工作温度为120℃，工作寿命可达到100158h(约11 year)，性能非常好，与商用III-V族激光器相当。
硅基量子点激光器作为单片集成的最后一块拼图，其意义非常重大，有着诱人的应用前景。虽然性能已经达到要求，但其目前的工艺较为复杂，还处于实验室研究阶段。距离高良率、高可靠性的大批量生产，还有很长的路要走。
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参考文献：
- A. Kazemi, et.al., Colloidal and Epitaxial Quantum Dot Infrared Photodetectors: Growth, Performance, and Comparison, Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering (2014)
- S. Chen, et.al., Electrically pumped continuous-wave III – V quantum dot lasers on silicon, Nature Photonics 10, 307(2016)
- 王霆，硅基 III-V 族量子点激光器的发展现状和前景，物理学报 64, 204209 (2015)
