Исследование микродисковых лазеров на основе гетероструктур InGaAs/GaAs/AlGaAs, гибридно интегрированных с кремниевой подложкой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Драгунова Анна Сергеевна

• Драгунова Анна Сергеевна
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Драгунова Анна Сергеевна

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. Современные методы переноса полупроводниковых лазеров на кремниевую подложку

1.1. Полупроводниковые лазеры и микролазеры

1.2.Методы интеграции прямозонных материалов А3В5 с кремнием

1.2.1. Монолитная интеграция прямозонных материалов А3В5 с кремнием

1.2.2. Гибридная интеграция прямозонных материалов А3В5 с кремнием

1.3. Выводы к Главе

ГЛАВА 2. Экспериментальные методы

2.1. Методы создания лазерных гетероструктур

2.1.1. Металлорганическая газофазная эпитаксия

2.1.2. Молекулярно-пучковая эпитаксия

2.2. Методы формирования микролазеров

2.3. Методы, используемые для исследования характеристик микролазеров

2.4. Выводы к Главе

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ САМОРАЗОГРЕВА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ МИКРОДИСКОВОГО ЛАЗЕРА

3.1. Влияние саморазогрева на статические характеристики микролазера

3.1.1. Тепловое сопротивление в микродисковых лазерах

3.1.2. Пороговый ток и вольт-амперная характеристика микродисковых лазеров

3.1.3. Насыщение ватт-амперной характеристики микродисковых лазеров

3.1.4. Пиковая мощность микродискового лазера

3.1.5. Максимальная рабочая температура микродискового лазера

3.2. Влияние саморазогрева на динамические характеристики микролазера

3.3 Выводы к Главе

ГЛАВА

4.1.Гибридная интеграция микролазеров на кремниевую подложку при помощи индиевого припоя

4.1.1. Описание метода интеграции при помощи индиевого припоя

4.1.2. Исследование влияния гибридной интеграции микролазеров на кремний при помощи индиевого припоя на характеристики микролазеров.

132

4.2. Гибридная интеграция микролазеров на кремниевую подложку методом

термокомпрессионной пайки

4.3. Исследование влияния термокомпрессионной интеграции микролазеров на кремний на характеристики микролазеров

4.3.1. Улучшение теплового сопротивления микролазеров, интегрированных на кремний

4.3.2. Увеличение оптической мощности микролазеров, интегрированных на кремний

4.3.3. Быстродействие

4.4.Тепловое сопротивление микродисковых лазеров: влияние переноса на кремниевую подложку

4.5.Снижение теплового сопротивления за счет оптимизации конструкции

лазерной гетероструктуры

4.6. Выводы к Главе

ГЛАВА 5. РЕАЛИЗАЦИЯ ОПТОПАРЫ НА КРЕМНИЕВОЙ ПОДЛОЖКЕ

5.1. Характеристики микродискового лазера и фотодиода до интеграции

5.2. Детектирование лазерного излучения с помощью интегральной оптопары

161

5.3. Выводы к Главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Тексты публикаций

Реферат

I. Общая характеристика диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование микродисковых лазеров на основе гетероструктур InGaAs/GaAs/AlGaAs, гибридно интегрированных с кремниевой подложкой»

Актуальность темы.

Развитие современных цифровых технологий, переход к сервисам облачного хранения, внедрение искусственного интеллекта (ИИ) и необходимость обработки больших массивов данных требуют постоянного увеличения скорости обработки и передачи данных. В то же время, передача данных по электрическим соединениям и проводам ограничена как по скорости (пропускной способности), так и из-за выделения тепловой мощности, что также ограничивает производительность полупроводниковых микросхем в современных компьютерных системах - от мобильных телефонов до крупных центров обработки данных [1]. К тому же, экспоненциальный рост возможностей электронных полупроводниковых микросхем, известный как закон Мура, не может продолжаться бесконечно и уже ощущаются важные ограничения, связанные по большей мере не только с трудностями дальнейшего уменьшения площади затвора, но и с межсоединениями ввиду уменьшения размеров компонентов полупроводниковых микросхем и увеличения площади кристалла, на котором они располагаются [2-3]. Ожидается, что преодолеть перечисленные выше ограничения можно, перейдя к использованию оптической связи на малых (между электронными платами) и сверхмалых (между чипами и внутри чипа) расстояниях.

При этом эффективность оптической связи при передаче больших объемов данных, а также возможность дальнейшего увеличения скорости передачи информации уже доказана многолетней практикой использования систем волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) на сверхдальние расстояния, т.е. междугородние и межконтинентальные, а также опытом внедрения ВОЛС для осуществления локальных и внутригородских сетей. В последнее время оптическая связь все активнее применяется для передачи данных на меньшие расстояния, например, внутри центров обработки данных

(дата-центров). Ведутся разработки оптической связи между отдельными компонентами внутри компьютера - между электронными платами или интегральными схемами, а также в пределах интегральной схемы. Это связано с тем, что реализация оптической связи в электронно-вычислительных устройствах позволит повысить их быстродействие и снизить тепловыделение и энергопотребление, что в свою очередь приведет к существенному улучшению скорости обработки больших массивов данных, повысит эффективность машинного обучения и приблизит создание систем ИИ, а также расширит сферу применения и снизит стоимость таких устройств.

К преимуществам оптической связи перед электрической относятся:

• отсутствие тепловыделения, связанного с протеканием тока по электрическим соединениям;

• существенно более высокие скорости модуляции оптического сигнала;

• возможность одновременного распространения нескольких потоков данных с помощью сигналов с различными длинами волн, так называемое спектральное уплотнение каналов;

• высокая помехозащищенность.

Уже существует ряд работ, в которых продемонстрирована возможность интеграции электронных и фотонных компонентов на одном чипе для систем обработки данных. Так, например, в работе [1], являющейся коллаборацией ряда ведущих университетов США и компании IBM, был реализован микропроцессор, состоящий из более чем 70 миллионов транзисторов и 850 фотонных компонентов, работавших вместе для обеспечения функций логики, памяти и межсоединений. Этот микропроцессор использует встроенные фотонные устройства для прямой связи с другими чипами при помощи света. Вместе с тем, в данной работе в качестве источника оптического излучения применяется твердотельный лазер большого размера, находящийся вне чипа, то есть отдельно. Ввиду этого данный микропроцессор можно рассматривать

только как прототип, демонстрирующий перспективы оптоэлектронных интегральных схем. Исходя из данного примера, можно сделать вывод, что несмотря на все достигнутые результаты в кремниевой фотонике, такие как реализация большинства пассивных оптических компонентов (волноводов, оптоволоконных соединений, спектральных фильтров и т.п) все еще остается нереализованным эффективный источник оптического излучения на кремнии. Следовательно, неразрешенной остается и проблема создания оптического приемопередатчика (устройства, состоящего из лазера и фотоприемника), представляющего собой основу реализации системы оптической связи. Возможным решениям данной проблемы является интеграция прямозонных полупроводниковых материалов А3В5 (например, InGaAs/GaAs) с кремнием.

Для источника оптического излучения, предназначенного для реализации систем оптической связи на малые и сверхмалые расстояния (последний тип излучателя в англоязычной литературе часто характеризуется как «on-chip»), существует ряд требований, таких как малый размер, малое энергопотребление, высокие эффективность и быстродействие. Также, источник излучения должен обладать узкими линиями излучения и способностью работать при повышенных температурах. В качестве одного из перспективных кандидатов на роль компактного источника оптического излучения в системах оптической связи может выступать микролазер с кольцевой или дисковой геометрией резонатора, работающий на модах шепчущей галереи (МГШ). Такие микролазеры в размерах могут составлять десятки или даже единицы микрон, при этом, благодаря полному внутреннему отражению света от боковых стенок микрорезонатора, достигается высокая добротность такого микролазера [4]. К основным преимуществам таких микролазеров, помимо высокой добротности и малой площади, относятся:

• малая потребляемая мощность;

• узкие линии излучения, что в свою очередь необходимо для передачи данных в оптических системах связи на плате;

• стабильность длины волны лазерного излучения;

• распространение электромагнитного излучения в латеральной плоскости (плоскости подложки), а не в вертикальной, как в случае с вертикально-излучающими лазерами, что в свою очередь позволяет создавать разные схемы латерального вывода излучения в оптических системах связи на плате.

Помимо перечисленных достоинств не менее важным является возможность достижения высокой эффективности вывода лазерного излучения из микрорезонатора. Так, например, в работе [5] демонстрировалась возможность вывода лазерного излучения из микродиского (МД) лазера в волновод, вплотную расположенный к микролазеру, что в свою очередь также открывает пути для реализации микродисковых лазеров в качестве различных устройств, использующихся как для систем оптоэлектронной передачи данных, так и в качестве самостоятельных детекторов, датчиков и прочих.

Существует ряд работ [6-8], в которых были осуществлены успешные попытки монолитно интегрировать микродисковые лазеры на основе материалов А3В5 с кремнием. К сожалению, технология изготовления лазерных гетероструктур непосредственно на кремниевой подложке является весьма сложной, а плотность прорастающих дислокаций на несколько порядков превосходит таковую в лазерах, выращенных на родной подложке, например, арсенида галия [9]. Обычно это объясняется различиями в размере кристаллической ячейки, коэффициентах теплового расширения и полярностях постоянных кристаллических решеток кремния и синтезируемых на нем материалов А3В5.

Избежать подобных проблем позволит гибридная интеграция материалов А3В5 с кремнием, то есть перенос на кремний готовых, выращенных на родной подложке, микролазеров. К моменту начала настоящего диссертационного исследования в литературе были описаны

примеры таких гибридно-интегрированных гетероструктур, выращенных на подложках 1пР [10-11]. Однако микролазеры на основе соединений 1пР как правило обладают низкой температурной стабильностью по сравнению с аналогами на основе GaAs [12]. В то же время, информация о применении гибридной интеграции лазеров на основе GaAs практически отсутствовала. Особую трудность вызывает интеграция инжекционных микролазеров, поскольку требует отработки методов формирования электрического контакта с микронной точностью с возможностью реализации индивидуальной адресации. Необходимость решения обозначенных выше проблем диктует актуальность данной диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является исследование спектральных, пороговых, электрических и тепловых характеристик инжекционных микродисковых лазеров, синтезированных на подложке GaAs в системе материалов InGaAs/GaAs/AlGaAs и перенесенных на кремний, и установление, таким образом, возможности гибридной интеграции микродисковых лазеров на основе GaAs с кремнием.

Для достижения данной цели в рамках диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследование влияния саморазогрева микролазера на его статические и динамические характеристики;

2. Исследование влияния гибридной интеграции на характеристики микродискового лазера, в том числе:

2.1. Исследование влияния интеграции на кремниевую подложку при помощи 1п припоя;

2.2. Исследование влияния интеграции на кремниевую подложку при помощи термокомпрессионной пайки;

2.3.Исследование влияния уменьшения глубины залегания активной области в лазерной гетероструктуре на характеристики гибридно-интегрированных с кремнием микролазеров;

3. Реализация InGaAs/GaAs компактного приемопередатчика (оптопары) на кремниевой подложке.

Методы исследования.

Для решения поставленных задач в ходе диссертационного исследования были использованы следующие методы:

1. Синтез лазерных гетероструктур методами молекулярно-пучковой эпитаксии или газофазной эпитаксии из металл-органических соединений.

2. Формирование микролазеров методом глубокого травления сквозь активную область с использованием операций фотолитографии, напыления электрических контактов и других пост-ростовых процессов.

3. Интеграция микролазеров на кремниевую подложку методом пайки с использованием припоя из индия.

4. Интеграция микролазеров на кремниевую подложку методом термокомпрессионной пайки Аи-Аи.

5. Определение структурного совершенства сформированных и перенесенных микролазеров методом оптической микроскопии и сканирующей электронной микроскопии.

6. Исследование вольт-амперных характеристик микролазеров с зондовым, паяным или термо-компресиионным электрическим подключением.

7. Исследования спектров микро-электролюминисценции, в том числе спектров лазерной генерации, при непрерывной инжекционной накачке при различных температурах.

8. Исследования амплитудно-частотных характеристик методом измерения отклика интенсивности излучения в ответ на радиочастотную модуляцию тока накачки.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Существует ограниченная саморазогревом микродискового лазера предельная рабочая температура, а также минимальный диаметр микродискового лазера, при которых возможна непрерывная лазерная генерация. Уменьшение диаметра ведет к снижению предельной температуры.

2. Перенос микродисковых лазеров на кремниевую подложку методами гибридной интеграции позволяет уменьшить тепловое сопротивление, что ведет к улучшению приборных характеристик: снижению порогового тока, уменьшению зависимости длины волны генерации от тока накачки, увеличению максимальной мощности излучения в непрерывном режиме генерации, увеличению частоты прямой модуляции при комнатной температуре без принудительного охлаждения.

3. Использование квантовых точек InGaAs в активной области р-ьп гетероструктуры AlGaAs/GaAs, перенесенной на кремниевую подложку, позволяет создать из одной и той же эпитаксиальной структуры спектрально-согласованные микролазерный излучатель и фотодетектор, образующие оптопару, гибридно интегрированную с кремнием.

Научная новизна диссертации заключается в том, что в ней:

1. Продемонстрированы низкопороговые эффективные микродисковые лазеры с квантовым точками в системе материалов InGaAlAs, гибридно интегрированные с кремнием.

2. Продемонстрирована оптопара, гибридно интегрированная с кремнием, все компоненты которой изготовлены из одной и той же эпитаксиальной структуры с квантовыми точками.

3. Продемонстрирована и объяснена связь диаметра микродискового лазера с максимальной температурой лазерной генерации.

4. Показана возможность снижения теплового сопротивления за счет их переноса на кремний, а также за счет уменьшения толщины р-эмиттера.

Теоретическая и практическая значимость работы.

1. Разработана модель, позволяющая описать влияние как температуры окружающей среды, так и саморазогрева на характеристики микродисковых лазеров на основе квантовых точек, позволившая получить аналитические выражения для пикового значения оптической мощности, соответствующего тока инжекции и избыточной температуры микродискового лазера, ограниченного эффектом насыщения ватт-амперной характеристики за счет саморазогрева устройства, а также позволившая количественно оценить влияние саморазогрева микродисковых лазеров на динамические характеристики устройства.

2. С помощью модельных расчетов и экспериментальных исследований микродисковых лазеров выполнен анализ влияния саморазогрева на пороговые и модуляционные характеристики микролазеров с квантовыми точками, проанализировано влияние размера микрорезонатора, толщины эпитаксиальных слоев, параметров подложки и других элементов инжекционного микродискового лазера на его тепловое сопротивление.

3. Продемонстрированы перенесенные (гибридно-интегрированные) на подложку кремния массивы инжекционных микродисковых лазеров, допускающие возможность индивидуальной адресации, способные работать при комнатной температуре в режиме непрерывной накачки и в режиме прямой токовой модуляции.

4. Достигнуты рекордно-низкие значения теплового сопротивления в микродисковых лазерах с квантовыми точками за счет их гибридной интеграции с кремнием. В микролазерах диаметром около 30 мкм тепловое сопротивление составило 0.2 К/мВт.

5. Продемонстрировано трехкратное увеличение значения выходной оптической мощности микродисковых лазеров после гибридной интеграции (переноса на кремниевую подложку). Ток, соответствующий максимальному

значению мощности, после интеграции увеличился в 1,5-2 раза для микродисковых лазеров диаметром 19 и 30 мкм соответственно.

6. Достигнуты рекордные значения полосы прямой токовой модуляции (по уровню - 3дБ) свыше 7 ГГц при комнатной температуре без принудительного охлаждения.

7. Продемонстрирована возможность гибридной интеграции на кремнии волноводного p-i-n фотодиода и микродискового лазера с квантовыми точками; величина чувствительности фотодиода по отношению к току микролазера составила 1.4%; плотность темнового тока около 2 мкА/см2.

Достоверность полученных результатов обеспечивается за счет их повторяемости и воспроизводимости с использованием современных экспериментальных методов и высокоточного измерительного оборудования. Полученные экспериментальные данные сопоставляются с разработанными моделями и расчетами, согласуются между собой и опубликованными литературными данными.

Внедрение результатов работы.

Результаты данной диссертационной работы используются в проведении научных исследований в Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ, поддержанных проектами Программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ и РНФ.

Апробация результатов работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. XXIII всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике, Санкт-Петербург, 2021.

2. 9th International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures, Санкт-Петербург, 2022.

3. Международная молодежная конференция «ФизикА.СПб/2022», Санкт-Петербург, 2022.

4. 20-я Международная конференция «Лазерная оптика», Санкт-Петербург, 2022

5. I ежегодная всероссийская молодежная конференция «Методы и приборы для анализа биологических проб «АналитБиоПрибор-2023», Санкт-Петербург, 2022.

6. XXV всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике, Санкт-Петербург, 2023.

Личный вклад автора.

Все результаты, изложенные в данной диссертационной работе, получены автором лично или при его непосредственном участии. Постановка задач, а также обсуждение полученных результатов проводилось совместно с научным руководителем. Все вошедшие в работу оригинальные результаты измерений получены либо автором диссертации, либо при его непосредственном участии. Интерпретация теоретических и экспериментальных данных проведена автором лично или в совместно с соавторами.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы и списка публикаций автора по теме диссертационной работы. Объем диссертации составляет 258 страниц печатного текста и содержит 53 рисунка, 4 таблицы, 24 формулы и списка литературы из 207 источников.

Публикации.

По теме диссертации было опубликовано 13 печатных работ в рецензируемых зарубежных и российских печатных изданиях, индексируемых

в базах Web of Science и Scopus, а также входящих в перечень рекомендуемых ВАК.

Основное содержание работы

Во введении изложена и обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, а также сформулирована цель и поставлены задачи, изложены новизна и положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен литературный обзор по теме диссертационной работы. Рассмотрены полупроводниковые лазеры, их физические свойства, типы активных областей и области применения, методы переноса микролазеров на кремниевую подложку, их преимущества и недостатки. Обзор литературы позволяет сделать выводы о перспективности использования метода гибридной интеграции приборов на основе материалов А3В5 с кремнием для создания оптоэлектронных интегральных схем, призванных увеличить скорость обработки информации благодаря внедрению принципов оптической связи для передачи данных на малые и сверхмалые расстояния. Гибридная интеграция дает возможность избежать трудностей, связанных с ухудшением качества слоев А3В5, синтезированных непосредственно на кремнии, позволяет разнести технологические процессы, относящиеся к кремнию и к А3В5, допускает предварительное тестирование приборов А3В5, позволяет сочетать различные типы оптоэлектронных приборов, как изготавливаемые из одной и той же эпитаксиальной пластины, так и из различных пластин. Также показаны преимущества микродисковых лазеров для использования в составе интегральных схем, заключающиеся прежде всего в сочетании простоты эпитаксиальной структуры и постростовых операций с возможностью достижения высокой добротности в резонаторах микронного размера. Показано, что квантовые точки, а также гибридные структуры (так называемые, квантовые ямы-точки) In(Ga)As/GaAs, позволяют подавить влияние безызлучательной поверхностной рекомбинации,

достичь длину волны излучения, соответствующую прозрачности кремния и основных типов волноводов, использовать гетероструктуры AlGaAs/GaAs, отличающиеся большими разрывами зон на гетерогранице и большими значениями скачка показателя преломления. Также отмечена слабая исследованность возможности гибридной интеграции инжекционных микродисковых лазеров на основе квантовых точек с кремнием.

Во второй главе описаны использованные в работе методы создания лазерных гетероструктур и микродисковых лазеров на их основе, а также экспериментальные методы изучения свойств этих микролазеров. Обсуждается слоевая конструкция двух типов эпитаксиальных гетероструктур, используемых для создания микролазеров. Конструкция представляет собой разновидность лазерной гетероструктуры с раздельным ограничением носителей заряда и световой волны. Достоинством конструкции эпитаксиальной структуры, проистекающей из специфики исследуемых микролазеров, является ее простота: отсутствуют многочисленные чередующиеся слои, отсутствуют (за исключением активной области) слои, толщина которых должна контролироваться на монослойном уровне. Совокупная толщина гетероструктуры не превосходит нескольких микрометров, что должно обеспечить приемлемое тепловое сопротивление. Для ее синтеза могут быть использованы различные эпитаксиальные методы, краткое описание которых также приведено в настоящей главе. Специфика использованных эпитаксиальных методов связана с конкретным типом активной области. Для создания лазерной гетероструктуры типа А на основе плотных массивов КТ, формируемых не по механизму Странского-Крастанова (квантовых ям-точек, КЯТ) был применен метод МОГФЭ, а для гетероструктуры типа Б на основе массивов квантовых точек Странского-Крастанова использована МПЭ. Также описана конструкция микродискового лазера и методы его изготовления. Для создания применяются хорошо отработанные методы фото- или электронно-лучевой литографии и

плазмохимического травления. Не применяются такие достаточно сложные операции, как селективное оксидирование, формирование воздушных мостиков, пассивация граней и напыление на них зеркал, совмещение различных элементов. Применяемый в настоящей работе комплекс исследовательских методов включал измерение спектров излучения (микроэлектролюминесценция), вольт- и ватт-амперных характеристик микролазеров различного размера, а также измерение динамических характеристик в режиме прямой СВЧ модуляции, что позволяет определить все основные приборные параметры микролазеров и установить их взаимосвязь с особенностями конструкции (диаметр, перенос на кремний и т.д.).

В третьей главе описана разработанная модель, позволившая получить аналитические выражения для пикового значения оптической мощности микродискового лазера, ограниченного эффектом насыщения ватт-амперной характеристики за счет саморазогрева устройства, а также для соответствующего тока инжекции и избыточной температуры микролазера.

Важным параметром модели является тепловое сопротивление микролазера. Было определено, что тепловое сопротивление исследуемых инжекционных микродисковых лазеров на основе гетероструктур А и Б диаметром 10-30 мкм обратно пропорционально площади микродиска, рисунок 1. Значения удельного теплового сопротивления были определены равными 3 и 5*10-3 см2 (К/Вт) для микродисковых лазеров на основе гетероструктур типа А и Б, соответственно.

Рисунок 1 - Тепловое сопротивление инжекционных микродисковых лазеров, а также аппроксимация обратной пропорциональностью площади диска.

Конечное значение теплового сопротивления микродискового лазера вызывает его саморазогрев при протекании тока. Модель позволила получить аналитические выражения для пикового значения оптической мощности МД лазера, а также соответствующих ему значений тока инжекции и температуры перегрева:

1п

АТ

пик

То

Тп

+ 1

2

3

-3(Г-7реф);

Рпик

2Дс

/

N

4АГТ

2Го

пик

¿ + 1

-1-

4АГТ

пик

¿ + 1

(1)

(2)

/пик ((2/°,))^

4АГг

пик

¿ + 1

- 1

(3)

г

Здесь АТпик - температура перегрева лазера на пиковой мощности, Т0 -характерная температура порогового тока, ^ - последовательное сопротивление микродискового лазера, зависящее от диаметра, 1о - пороговый ток при заданной температуре Треф (обычно равно 20°С), Т - температура окружающей среды, рпик - пиковая мощность, и0 - напряжение включения

(общее для всех микродисковых лазеров, равно 1,446 В), t = —0 -

комбинация электрических и тепловых параметров микролазера, имеющих размерность температуры(не зависит от размера МД), 1Шк - ток инжекции на пиковой мощности.

Модель предсказывает существование максимальной рабочей температура Тмакс микролазера в непрерывном режиме, а также минимального диаметра микродискового лазера, при котором возможна непрерывная генерация. Модель также позволяет определить влияние диаметра микролазера и его собственных параметров, таких как тепловое и электрическое сопротивление, безызлучательная рекомбинация и характеристическая температура порогового тока, на статические характеристики. В качестве примера на рисунке 2, а показана зависимость максимальной температуры от диаметра микролазера. Видно, максимальная рабочая температура генерации резко падает с уменьшением размера микродискового лазера. Был сделан вывод, что быстрый рост пороговой плотности тока (возникающий даже при отсутствии эффекта саморазогрева) с уменьшением диаметра микролазера является основной причиной зависимости температурных характеристик от размера микролазера.

Для расчетов использовались параметры, полученные из экспериментальных данных. Результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментальными зависимостями. В качестве примера, на рисунке 2,б приведены экспериментальные данные по минимального диаметру микродискового лазера, в котором возникает лазерная генерация в

зависимости от температуры окружающей среды, а также результаты моделирования.

Рисунок 2 - а) Расчетные значения максимальной рабочей температуры Тмакс при которой еще происходит генерация микролазера (сплошная линия) и температура перегрева АТмакс микролазера при Тмакс (пунктирная линия) в зависимости от диаметра микродискового лазера. б) Наименьший диаметр, при котором экспериментально наблюдалась генерация микролазера в непрерывном режиме при данной температуре (символы) и расчетный минимальный диаметр Dмин (линия).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Драгунова Анна Сергеевна, 2025 год

Список литературы

1. Sun C. et al. Single-chip microprocessor that communicates directly using light //Nature. - 2015. - Т. 528. - №. 7583. - С. 534-538.

2. Saraswat K. C., Mohammadi F. Effect of scaling of interconnections on the time delay of VLSI circuits //IEEE Transactions on Electron Devices. -1982. - Т. 29. - №. 4. - С. 645-650.

3. Keyes R. W. Communication in computation //International Journal of Theoretical Physics. - 1982. - Т. 21. - С. 263-273.

4. McCall S. L. et al. Whispering-gallery mode microdisk lasers //Applied physics letters. - 1992. - Т. 60. - №. 3. - С. 289-291.

5. Koseki S. et al. Monolithic integration of quantum dot containing microdisk microcavities coupled to air-suspended waveguides //Applied Physics Letters. - 2009. - Т. 94. - №. 5.

6. Wan Y. et al. 1.3 ^m submilliamp threshold quantum dot micro-lasers on Si //Optica. - 2017. - Т. 4. - №. 8. - С. 940-944.

7. Kryzhanovskaya N. et al. Heat-sink free CW operation of injection microdisk lasers grown on Si substrate with emission wavelength beyond 1.3 ^m //Optics Letters. - 2017. - Т. 42. - №. 17. - С. 3319-3322.

8. Wan Y. et al. Directly modulated quantum dot lasers on silicon with a milliampere threshold and high temperature stability //Photonics Research. - 2018. - Т. 6. - №. 8. - С. 776-781.

9. Liu A. Y et al. Reliability of InAs/GaAs quantum dot lasers epitaxially grown on silicon //IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2015. - Т. 21. - №. 6. - С. 690-697.

10. Tanabe K., Watanabe K., Arakawa Y. III-V/Si hybrid photonic devices by direct fusion bonding //Scientific reports. - 2012. - Т. 2. - №. 1. - С. 349.

11. Zhang C. et al. Thermal management of hybrid silicon ring lasers for high temperature operation //IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2015. - Т. 21. - №. 6. - С. 385-391.

12. Zou L. X. et al. Thermal and high speed modulation characteristics for AlGalnAs/InP microdisk lasers //Optics Express. - 2015. - Т. 23. - №. 3. - С. 2879-2888.

13. Yovanovich M. M. et al. Thermal spreading and contact resistances //Heat transfer handbook. - 2003. - Т. 1. - С. 261-394.

14. Gordeev N. Y., Maximov M. V., Zhukov A. E. Transverse mode tailoring in diode lasers based on coupled large optical cavities //Laser Physics. -2017. - Т. 27. - №. 8. - С. 086201.

15. Alferov Z. I. The history and future of semiconductor heterostructures //Semiconductors. - 1998. - Т. 32. - С. 1-14.

16. Maiman T. H. et al. Stimulated optical radiation in ruby. - 1960.

17. Басов Н. Г., Крохин О. Н., Попов Ю. М. Генерация, усиление и индикация инфракрасного и оптического излучений с помощью квантовых систем //Успехи физических наук. - 1960. - Т. 72. - №. 10. - С. 161-209.

18. Hall R. N. et al. Coherent light emission from GaAs junctions //Physical Review Letters. - 1962. - Т. 9. - №. 9. - С. 366.

19. Алферов Ж.И., Казаринов Р.Ф. Авторское свидетельство No. 181737, заявка No. 950840 с приоритетом от 30 марта 1963.

20. Dingle R., Henry C. H., US Patent No 3982207(1976).

21. Y Arakawa and H. Sakaki, "Multidimensional quantum well laser and temperature dependence of its threshold current," // Appl. Phys. Lett., vol. 40, no. 11, pp. 939-941, 1982.

22. Леденцов Н. Н. и др. Оптические свойства гетероструктур с квантовыми кластерами InGaAs-GaAs //Физика и техника полупроводников. -1994. - №. 28. - С. 1483.

23. Алешкин В.Я., Дикарева Н.В., Дубинов А.А., Звонков Б.Н., Карзанова М.В., Кудрявцев К.Е., Некоркин С.М., Яблонский А.Н. // 3-й Российский симпозиум «Полупроводниковые лазеры: физика и технология». Санкт- Петербург, 2012.

24. Babichev A. et al. Impact of Device Topology on the Performance of High-Speed 1550 nm Wafer-Fused VCSELs //Photonics. - MDPI, 2023. - T. 10. -№. 6. - C. 660.

25. Langenfelder T., Grothe H. Hybrid mirror VCSEL with sub-100 ^A threshold current emitting at 850 nm wavelength //Electronics Letters. - 1998. - T. 34. - №. 21. - C. 2034-2035.

26. Bardinal V. et al. Collective Micro-Optics Technologies for VCSEL Photonic Integration //Advances in Optical Technologies. - 2011. - T. 2011. - №. 1. - C. 609643.

27. Rayleigh L. CXII. The problem of the whispering gallery //The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. -1910. - V. 20. - №. 120. - P. 1001-1004.

28. Garrett C. G. B., Kaiser W., Bond W. L. Stimulated emission into optical whispering modes of spheres //Physical Review. - 1961. - T. 124. - №. 6. -C. 1807.

29. Levi A. F. J. et al. Room temperature operation of microdisc lasers with submilliamp threshold current //Electronics letters. - 1992. - T. 11. - №. 28. -C. 1010-1012.

30. Baba T. Photonic crystals and microdisk cavities based on GaInAsP-InP system //IEEE journal of selected topics in quantum electronics. - 1997. - T. 3. - №. 3. - C. 808-830.

31. Fujita M., Inoshita K., Baba T. Room temperature continuous wave lasing characteristics of GaInAsP/InP microdisk injection laser //Electronics Letters. - 1998. - T. 34. - №. 3. - C. 278-279.

32. Fujita M., Ushigome R., Baba T. Continuous wave lasing in GaInAsP microdisk injection laser with threshold current of 40^A //Electronics Letters. -2000. - T. 36. - №. 9. - C. 1.

33. Corbett B. Spectral characteristics of single-Ino.7/Gao.3/As quantumwell microring lasers //IEEE Photonics Technology Letters. - 1998. - T. 10. - №. 1. - C. 3-5.

34. Thiyagarajan S. M. K. et al. Continuous room-temperature operation of microdisk laser diodes //Electronics Letters. - 1999. - Т. 35. - №. 15. - С. 12521254.

35. Boroditsky M. et al. Surface recombination measurements on III-V candidate materials for nanostructure light-emitting diodes //Journal of Applied Physics. - 2000. - Т. 87. - №. 7. - С. 3497-3504.

36. Michler P. et al. Laser emission from quantum dots in microdisk structures //Applied Physics Letters. - 2000. - Т. 77. - №. 2. - С. 184-186.

37. Cao H. et al. Optically pumped InAs quantum dot microdisk lasers //Applied Physics Letters. - 2000. - Т. 76. - №. 24. - С. 3519-3521.

38. Ide T. et al. Lasing characteristics of InAs quantum-dot microdisk from 3K to room temperature //Applied physics letters. - 2004. - Т. 85. - №. 8. -С. 1326-1328.

39. Ide T. et al. Room temperature continuous wave lasing in InAs quantum-dot microdisks with air cladding //Optics express. - 2005. - Т. 13. - №. 5.

- С. 1615-1620.

40. Mao M. H. et al. Room-temperature low-threshold current-injection InGaAs quantum-dot microdisk lasers with single-mode emission //Optics express.

- 2011. - Т. 19. - №. 15. - С. 14145-14151.

41. Munsch M. et al. Room temperature, continuous wave lasing in microcylinder and microring quantum dot laser diodes //Applied Physics Letters. -2012. - Т. 100. - №. 3.

42. Moiseev E. et al. Highly efficient injection microdisk lasers based on quantum well-dots //Optics Letters. - 2018. - Т. 43. - №. 19. - С. 4554-4557.

43. Kryzhanovskaya N. V. et al. Electrically pumped InGaAs/GaAs quantum well microdisk lasers directly grown on Si (100) with Ge/GaAs buffer //Optics Express. - 2017. - Т. 25. - №. 14. - С. 16754-16760.

44. Жуков А. Е. и др. Фото-и электролюминесценция вблизи 1.3 мкм структур с квантовыми точками на подложках GaAs //Физика и техника полупроводников. - 1999. - Т. 33. - №. 2. - С. 180-183.

45. Егоров А. Ю. и др. Формирование вертикально совмещенных массивов напряженных квантовых точек InAs в матрице GaAs (100) //Физика и техника полупроводников. - 1996. - №. 30. - С. 1682.

46. Fiore A. et al. Carrier diffusion in low-dimensional semiconductors: A comparison of quantum wells, disordered quantum wells, and quantum dots //Physical Review B. - 2004. - Т. 70. - №. 20. - С. 205311.

47. Mintairov S. A. et al. Hybrid InGaAs quantum well-dots nanostructures for light-emitting and photo-voltaic applications //Nanotechnology. - 2015. - Т. 26. - №. 38. - С. 385202.

48. Mintairov S. A. et al. GaAs quantum well-dots solar cells with spectral response extended to 1100 nm //Electronics letters. - 2015. - Т. 51. - №. 20. - С. 1602-1604.

49. Kryzhanovskaya N. V. et al. Direct modulation characteristics of microdisk lasers with InGaAs/GaAs quantum well-dots //Photonics Research. -2019. - Т. 7. - №. 6. - С. 664-668.

50. Zubov F. et al. High speed data transmission using directly modulated microdisk lasers based on InGaAs/GaAs quantum well-dots //Optics Letters. -2019. - Т. 44. - №. 22. - С. 5442-5445.

51. Lide D. R. Abundance of Elements in the Earth's Crust and in the Sea //CRC handbook of chemistry and physics, 97th edition. - 2017. - С. 14-17.

52. Soref R. The past, present, and future of silicon photonics //IEEE Journal of selected topics in quantum electronics. - 2006. - Т. 12. - №. 6. - С. 1678-1687.

53. Haurylau M. et al. On-chip optical interconnect roadmap: Challenges and critical directions //IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. -2006. - Т. 12. - №. 6. - С. 1699-1705.

54. Kaminow I. P. Optical integrated circuits: A personal perspective //Journal of Lightwave Technology. - 2008. - Т. 26. - №. 9. - С. 994-1004.

55. Soref R. A. Silicon-based optoelectronics //Proceedings of the IEEE. -1993. - Т. 81. - №. 12. - С. 1687-1706.

56. Welch D. F. et al. Large-scale InP photonic integrated circuits: Enabling efficient scaling of optical transport networks //IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2007. - T. 13. - №. 1. - C. 22-31.

57. Nagarajan R. et al. InP photonic integrated circuits //IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2010. - T. 16. - №. 5. - C. 1113-1125.

58. Liang D., Bowers J. E. Photonic integration: Si or InP substrates? //Electronics Letters. - 2009. - T. 45. - №. 12. - C. 578-581.

59. Vlasov Y. A. Silicon CMOS-integrated nano-photonics for computer and data communications beyond 100G //IEEE Communications Magazine. -2012. - T. 50. - №. 2. - C. 67-72.

60. Guo X., He A., Su Y Recent advances of heterogeneously integrated III-V laser on Si //Journal of Semiconductors. - 2019. - T. 40. - №. 10. - C. 101304

61. Heck M. J. R., Bowers J. E. Energy efficient and energy proportional optical interconnects for multi-core processors: Driving the need for on-chip sources //IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2013. - T. 20.

- №. 4. - C. 332-343.

62. Yin T. et al. 31GHz Ge nip waveguide photodetectors on Silicon-on-Insulator substrate //Optics express. - 2007. - T. 15. - №. 21. - C. 13965-13971.

63. Michel J., Liu J., Kimerling L. C. High-performance Ge-on-Si photodetectors //Nature photonics. - 2010. - T. 4. - №. 8. - C. 527-534.

64. Dai D., Bauters J., Bowers J. E. Passive technologies for future large-scale photonic integrated circuits on silicon: polarization handling, light non-reciprocity and loss reduction //Light: Science & Applications. - 2012. - T. 1. - №. 3. - C. e1-e1.

65. Vivien L. et al. Zero-bias 40Gbit/s germanium waveguide photodetector on silicon //Optics express. - 2012. - T. 20. - №. 2. - C. 1096-1101.

66. Streshinsky M. et al. Low power 50 Gb/s silicon traveling wave Mach-Zehnder modulator near 1300 nm //Optics express. - 2013. - T. 21. - №. 25.

- C. 30350-30357.

67. Tu X. et al. 50-Gb/s silicon optical modulator with traveling-wave electrodes //Optics express. - 2013. - T. 21. - №. 10. - C. 12776-12782.

68. Rong H. et al. An all-silicon Raman laser //Nature. - 2005. - T. 433. -№. 7023. - C. 292-294.

69. Rong H. et al. A continuous-wave Raman silicon laser //Nature. -2005. - T. 433. - №. 7027. - C. 725-728.

70. Liu J. et al. Tensile-strained, n-type Ge as a gain medium for monolithic laser integration on Si //Optics express. - 2007. - T. 15. - №. 18. - C. 11272-11277.

71. Liu J. et al. Ge-on-Si laser operating at room temperature //Optics letters. - 2010. - T. 35. - №. 5. - C. 679-681.

72. Camacho-Aguilera R. E. et al. An electrically pumped germanium laser //Optics express. - 2012. - T. 20. - №. 10. - C. 11316-11320.

73. Wirths S. et al. Lasing in direct-bandgap GeSn alloy grown on Si //Nature photonics. - 2015. - T. 9. - №. 2. - C. 88-92.

74. Martinez A. D. et al. Solar energy conversion properties and defect physics of ZnSiP 2 //Energy & Environmental Science. - 2016. - T. 9. - №. 3. - C. 1031-1041.

75. Liao M. et al. III-V quantum-dot lasers monolithically grown on silicon //Semiconductor Science and Technology. - 2018. - T. 33. - №. 12. - C. 123002

76. Kawabe M., Ueda T. Molecular beam epitaxy of controlled single domain GaAs on Si (100) //Japanese journal of applied physics. - 1986. - T. 25. -№. 4A. - C. L285.

77. Kawabe M., Ueda T. Self-annihilation of antiphase boundary in GaAs on Si (100) grown by molecular beam epitaxy //Japanese journal of applied physics. - 1987. - T. 26. - №. 6A. - C. L944.

78. Xu B. et al. Monolithic integration of O-band InAs quantum dot lasers with engineered GaAs virtual substrate based on silicon //Nanomaterials. - 2022. -T. 12. - №. 15. - C. 2704.

79. Windhorn T. H. et al. AlGaAs double-heterostructure diode lasers fabricated on a monolithic GaAs/Si substrate //Applied physics letters. - 1984. - T. 45. - №. 4. - C. 309-311.

80. Windhorn T. H., Metze G. M. Room-temperature operation of GaAs/AlGaAs diode lasers fabricated on a monolithic GaAs/Si substrate //Applied physics letters. - 1985. - T. 47. - №. 10. - C. 1031-1033

81. Sakai S. et al. Room-temperature laser operation of AlGaAs/GaAs double heterostructures fabricated on Si substrates by metalorganic chemical vapor deposition //Applied physics letters. - 1986. - T. 48. - №. 6. - C. 413-414.

82. Fischer R. et al. Low threshold laser operation at room temperature in GaAs/(Al, Ga) As structures grown directly on (100) Si //Applied physics letters. -

1986. - T. 48. - №. 20. - C. 1360-1361.

83. Dupuis R. D. et al. Low-threshold high-efficiency AlGaAs-GaAs double-heterostructure injection lasers grown on Si substrates by metalorganic chemical vapor deposition //Applied physics letters. - 1987. - T. 50. - №. 7. - C. 407-409.

84. Deppe D. G. et al. Room-temperature continuous operation of p-n Al x Ga1- x As-GaAs quantum well heterostructure lasers grown on Si //Applied physics letters. - 1987. - T. 51. - №. 9. - C. 637-639.

85. Deppe D. G. et al. Stability of 300 K continuous operation of p-n Al x Ga1- x As-GaAs quantum well lasers grown on Si //Applied physics letters. -

1987. - T. 51. - №. 16. - C. 1271-1273.

86. Van der Ziel J. P. et al. Low threshold pulsed and continuous laser oscillation from AlGaAs/GaAs double heterostructures grown by metalorganic chemical vapor deposition on Si substrates //Applied physics letters. - 1987. - T. 50. - №. 8. - C. 454-456.

87. Van der Ziel J. P. et al. Degradation of GaAs lasers grown by metalorganic chemical vapor deposition on Si substrates //Applied physics letters. - 1987. - T. 51. - №. 2. - C. 89-91.

88. Chong T. C., Fonstad C. G. Low-threshold operation of AlGaAs/GaAs multiple quantum well lasers grown on Si substrates by molecular beam epitaxy //Applied physics letters. - 1987. - T. 51. - №. 4. - C. 221-223.

89. Razeghi M. et al. First GaInAsP-InP double-heterostructure laser emitting at 1.27 ^m on a silicon substrate //Applied physics letters. - 1988. - T. 53.

- №. 9. - C. 725-727.

90. Razeghi M. et al. First cw operation of a Gao.25In0.75As0.5P0.5-InP laser on a silicon substrate //Applied physics letters. - 1988. - T. 53. - №. 24. - C. 23892390.

91. Egawa T. et al. AlGaAs/GaAs laser diodes with GaAs islands active regions on Si grown by droplet epitaxy //Japanese journal of applied physics. -1998. - T. 37. - №. 3S. - C. 1552.

92. Linder K. K. et al. Self-organized In 0.4 Ga 0.6 As quantum-dot lasers grown on Si substrates //Applied physics letters. - 1999. - T. 74. - №. 10. - C. 1355-1357.

93. Kazi Z. I. et al. Growth of InxGa1-xAs quantum dots by metal-organic chemical vapor deposition on Si substrates and in GaAs-based lasers //Journal of Applied Physics. - 2001. - T. 90. - №. 11. - C. 5463-5468.

94. Yang J., Bhattacharya P., Mi Z. High-Performance In0.5Ga0.5As/GaAs Quantum-Dot Lasers on Silicon With Multiple-Layer Quantum-Dot Dislocation Filters //IEEE Transactions on Electron Devices. - 2007.

- T. 54. - №. 11. - C. 2849-2855.

95. Mi Z., Bhattacharya P. Pseudomorphic and metamorphic quantum dot heterostructures for long-wavelength lasers on GaAs and Si //IEEE Journal of selected topics in quantum electronics. - 2008. - T. 14. - №. 4. - C. 1171-1179.

96. Mi Z. et al. High-performance quantum dot lasers and integrated optoelectronics on Si //Proceedings of the IEEE. - 2009. - T. 97. - №. 7. - C. 1239-1249.

97. Tang M. et al. 1.3-^m InAs/GaAs quantum-dot lasers monolithically grown on Si substrates using InAlAs/GaAs dislocation filter layers //Optics express. - 2014. - T. 22. - №. 10. - C. 11528-11535.

98. Tang M. et al. Optimizations of defect filter layers for 1.3-^m InAs/GaAs quantum-dot lasers monolithically grown on Si substrates //IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2016. - T. 22. - №. 6. - C. 50-56.

99. Chen S. et al. Electrically pumped continuous-wave III-V quantum dot lasers on silicon //Nature photonics. - 2016. - T. 10. - №. 5. - C. 307-311.

100. Liao M. et al. Monolithically integrated electrically pumped continuous-wave III-V quantum dot light sources on silicon //IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2017. - T. 23. - №. 6. - C. 1-10.

101. Shifren L. et al. Predictive simulation and benchmarking of Si and Ge pMOS FinFETs for future CMOS technology //IEEE Transactions on Electron Devices. - 2014. - T. 61. - №. 7. - C. 2271-2277.

102. Mo Y W. et al. Kinetic pathway in Stranski-Krastanov growth of Ge on Si (001) //Physical review letters. - 1990. - T. 65. - №. 8. - C. 1020.

103. Eaglesham D. J., Cerullo M. Dislocation-free stranski-krastanow growth of Ge on Si (100) //Physical review letters. - 1990. - T. 64. - №. 16. - C. 1943.

104. Luan H. C. et al. High-quality Ge epilayers on Si with low threading-dislocation densities //Applied physics letters. - 1999. - T. 75. - №. 19. - C. 29092911.

105. Liu H. et al. Long-wavelength InAs/GaAs quantum-dot laser diode monolithically grown on Ge substrate //Nature Photonics. - 2011. - T. 5. - №. 7. -C. 416-419.

106. Wang T. et al. The effect of growth temperature of GaAs nucleation layer on InAs/GaAs quantum dots monolithically grown on Ge substrates //Applied Physics Letters. - 2012. - T. 100. - №. 5.

107. Jiang Q. et al. InAs/GaAs quantum-dot superluminescent diodes monolithically grown on a Ge substrate //Optics Express. - 2014. - T. 22. - №. 19.

- C. 23242-23248.

108. Lee A. et al. Continuous-wave InAs/GaAs quantum-dot laser diodes monolithically grown on Si substrate with low threshold current densities //Optics express. - 2012. - T. 20. - №. 20. - C. 22181-22187.

109. Liu A. Y et al. High performance continuous wave 1.3 ^m quantum dot lasers on silicon //Applied Physics Letters. - 2014. - T. 104. - №. 4.

110. Liu A. Y et al. Reliability of InAs/GaAs quantum dot lasers epitaxially grown on silicon //IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2015. - T. 21. - №. 6. - C. 690-697.

111. Weimann N. G. et al. Scattering of electrons at threading dislocations in GaN //Journal of Applied Physics. - 1998. - T. 83. - №. 7. - C. 3656-3659

112. Roedel R. J. et al. The Effect of Dislocations in Ga1- x Al x As: Si Light-Emitting Diodes //Journal of The Electrochemical Society. - 1979. - T. 126.

- №. 4. - C. 637.

113. Wu J. et al. Quantum dot optoelectronic devices: lasers, photodetectors and solar cells //Journal of Physics D: Applied Physics. - 2015. - T. 48. - №. 36. - C. 363001.

114. Kunert B. et al. Si (001) surface preparation for the antiphase domain free heteroepitaxial growth of GaP on Si substrate //Thin Solid Films. - 2008. - T. 517. - №. 1. - C. 140-143.

115. Németh I. et al. Heteroepitaxy of GaP on Si: Correlation of morphology, anti-phase-domain structure and MOVPE growth conditions //Journal of Crystal Growth. - 2008. - T. 310. - №. 7-9. - C. 1595-1601.

116. Volz K. et al. GaP-nucleation on exact Si (0 0 1) substrates for III/V device integration //Journal of Crystal Growth. - 2011. - T. 315. - №. 1. - C. 3747.

117. Liu A. Y et al. Electrically pumped continuous-wave 1.3 ^m quantum-dot lasers epitaxially grown on on-axis (001) GaP/Si //Optics letters. -2017. - T. 42. - №. 2. - C. 338-341.

118. Jung D. et al. Highly reliable low-threshold InAs quantum dot lasers on on-axis (001) Si with 87% injection efficiency //ACS photonics. - 2017. - T. 5. - №. 3. - C. 1094-1100.

119. Jung D. et al. Low threading dislocation density GaAs growth on on-axis GaP/Si (001) //Journal of Applied Physics. - 2017. - T. 122. - №. 22.

120. Chen S. et al. Electrically pumped continuous-wave 1.3 ^m InAs/GaAs quantum dot lasers monolithically grown on on-axis Si (001) substrates //Optics express. - 2017. - T. 25. - №. 5. - C. 4632-4639.

121. Ward T. et al. Design rules for dislocation filters //Journal of Applied Physics. - 2014. - T. 116. - №. 6.

122. Wan Y. et al. InAs/GaAs quantum dots on GaAs-on-V-grooved-Si substrate with high optical quality in the 1.3 ^m band //Applied Physics Letters. -2015. - T. 107. - №. 8.

123. Wang Z. et al. Room-temperature InP distributed feedback laser array directly grown on silicon //Nature Photonics. - 2015. - T. 9. - №. 12. - C. 837842.

124. Wang Z. et al. Polytypic InP nanolaser monolithically integrated on (001) silicon //Nano letters. - 2013. - T. 13. - №. 11. - C. 5063-5069.

125. Tian B. et al. Room temperature O-band DFB laser array directly grown on (001) silicon //Nano letters. - 2017. - T. 17. - №. 1. - C. 559-564.

126. Kunert B. et al. III/V nano ridge structures for optical applications on patterned 300 mm silicon substrate //Applied Physics Letters. - 2016. - T. 109. -№. 9.

127. Alcotte R. et al. Epitaxial growth of antiphase boundary free GaAs layer on 300 mm Si (001) substrate by metalorganic chemical vapour deposition with high mobility //Apl Materials. - 2016. - T. 4. - №. 4.

128. Vahala K. J. Optical microcavities //Nature. - 2003. - T. 424. - №. 6950. - C. 839-846.

129. Li Q. et al. 1.3-^m InAs quantum-dot micro-disk lasers on V-groove patterned and unpatterned (001) silicon //Optics express. - 2016. - T. 24. - №. 18. - C. 21038-21045.

130. Wan Y. et al. Optically pumped 1.3 ^m room-temperature InAs quantum-dot micro-disk lasers directly grown on (001) silicon //Optics letters. -

2016. - T. 41. - №. 7. - C. 1664-1667.

131. Wan Y. et al. Sub-wavelength InAs quantum dot micro-disk lasers epitaxially grown on exact Si (001) substrates //Applied Physics Letters. - 2016. -T. 108. - №. 22.

132. Wan Y. et al. O-band electrically injected quantum dot micro-ring lasers on on-axis (001) GaP/Si and V-groove Si //Optics express. - 2017. - T. 25. -№. 22. - C. 26853-26860.

133. Shi B. et al. 1.55 ^m room-temperature lasing from subwavelength quantum-dot microdisks directly grown on (001) Si //Applied Physics Letters. -

2017. - T. 110. - №. 12.

134. Wang Z. et al. A III-V-on-Si ultra-dense comb laser //Light: Science & Applications. - 2017. - T. 6. - №. 5. - C. e16260-e16260.

135. Jhang Y. H. et al. Direct modulation of 1.3 ^m quantum dot lasers on silicon at 60 C //Optics express. - 2016. - T. 24. - №. 16. - C. 18428-18435.

136. Fang A. W. et al. Electrically pumped hybrid AlGaInAs-silicon evanescent laser //Optics express. - 2006. - T. 14. - №. 20. - C. 9203-9210.

137. Roelkens G. et al. III-V/silicon photonics for on-chip and intra-chip optical interconnects //Laser & Photonics Reviews. - 2010. - T. 4. - №. 6. - C. 751-779.

138. Liang D. et al. Hybrid integrated platforms for silicon photonics //Materials. - 2010. - T. 3. - №. 3. - C. 1782-1802.

139. Roelkens G. et al. III-V/Si photonics by die-to-wafer bonding //Materials Today. - 2007. - T. 10. - №. 7-8. - C. 36-43.

140. Gessner T. et al. Wafer bonding in micro mechanics and microelectronics-an overview //The World of Electronic Packaging and System Integration. - 2005. - С. 307-13.

141. Plößl A., Kräuter G. Wafer direct bonding: tailoring adhesion between brittle materials //Materials Science and Engineering: R: Reports. - 1999. - Т. 25.

- №. 1-2. - С. 1-88.

142. Gerlach A. et al. Low-temperature anodic bonding of silicon to silicon wafers by means of intermediate glass layers //Microsystem technologies. - 1999.

- Т. 5. - С. 144-149.

143. Sparks D. et al. Wafer-to-wafer bonding of nonplanarized MEMS surfaces using solder //Journal of Micromechanics and Microengineering. - 2001.

- Т. 11. - №. 6. - С. 630

144. Sparks D. R. et al. Process for bonding micromachined wafers using solder : пат. 6062461 США. - 2000.

145. Maharbiz M. M. et al. Batch micropackaging by compression-bonded wafer-wafer transfer //Technical Digest. IEEE International MEMS 99 Conference. Twelfth IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (Cat. No. 99CH36291). - IEEE, 1999. - С. 482-489.

146. Cheng Y. T., Lin L., Najafi K. Localized silicon fusion and eutectic bonding for MEMS fabrication and packaging //Journal of microelectromechanical systems. - 2000. - Т. 9. - №. 1. - С. 3-8.

147. Wiemer M. et al. Wafer bonding with BCB and SU-8 for MEMS packaging //2006 1st Electronic Systemintegration Technology Conference. -IEEE, 2006. - Т. 2. - С. 1401-1405.

148. Lo Y. H. et al. Semiconductor lasers on Si substrates using the technology of bonding by atomic rearrangement //Applied physics letters. - 1993.

- Т. 62. - №. 10. - С. 1038-1040.

149. Fang A. W. et al. Electrically pumped hybrid AlGaInAs-silicon evanescent laser //Optics express. - 2006. - Т. 14. - №. 20. - С. 9203-9210.

150. Park H. et al. Hybrid silicon evanescent laser fabricated with a silicon waveguide and III-V offset quantum wells //Optics Express. - 2005. - T. 13. - №. 23. - C. 9460-9464.

151. Fang A. W. et al. A distributed feedback silicon evanescent laser //Optics express. - 2008. - T. 16. - №. 7. - C. 4413-4419.

152. Fang A. W. et al. A distributed Bragg reflector silicon evanescent laser //IEEE Photonics Technology Letters. - 2008. - T. 20. - №. 20. - C. 1667-1669.

153. Liang D., Bowers J. E. Highly efficient vertical outgassing channels for low-temperature InP-to-silicon direct wafer bonding on the silicon-on-insulator substrate //Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena. - 2008. - T. 26. - №. 4. - C. 1560-1568.

154. Park H. et al. A hybrid AlGaInAs-silicon evanescent amplifier //IEEE Photonics Technology Letters. - 2007. - T. 19. - №. 4. - C. 230-232.

155. Koch B. R. et al. Mode-locked silicon evanescent lasers //Optics express. - 2007. - T. 15. - №. 18. - C. 11225-11233.

156. Chang H. H. et al. 1310nm silicon evanescent laser //Optics Express. -2007. - T. 15. - №. 18. - C. 11466-11471.

157. Fang A. W. et al. A continuous-wave hybrid AlGaInAs-silicon evanescent laser //IEEE Photonics Technology Letters. - 2006. - T. 18. - №. 10. -C. 1143-1145.

158. Roelkens G. et al. Laser emission and photodetection in an InP/InGaAsP layer integrated on and coupled to a Silicon-on-Insulator waveguide circuit //Optics express. - 2006. - T. 14. - №. 18. - C. 8154-8159.

159. Van Campenhout J. et al. Electrically pumped InP-based microdisk lasers integrated with a nanophotonic silicon-on-insulator waveguide circuit //Optics express. - 2007. - T. 15. - №. 11. - C. 6744-6749.

160. Duan G. H. et al. Hybrid III--V on Silicon Lasers for Photonic Integrated Circuits on Silicon //IEEE Journal of selected topics in quantum electronics. - 2014. - T. 20. - №. 4. - C. 158-170.

161. Keyvaninia S. et al. Heterogeneously integrated Ill-V/silicon distributed feedback lasers //Optics letters. - 2013. - Т. 38. - №. 24. - С. 54345437.

162. Bogaerts W. et al. Silicon microring resonators //Laser & Photonics Reviews. - 2012. - Т. 6. - №. 1. - С. 47-73.

163. Stankovic S. et al. Hybrid III-V/Si distributed-feedback laser based on adhesive bonding //IEEE Photonics Technology Letters. - 2012. - Т. 24. - №. 23. -С. 2155-2158.

164. Stankovic S. et al. 1310-nm hybrid III-V/Si Fabry-Perot laser based on adhesive bonding //IEEE Photonics Technology Letters. - 2011. - Т. 23. - №. 23. - С. 1781-1783.

165. Lamponi M. et al. Low-threshold heterogeneously integrated InP/SOI lasers with a double adiabatic taper coupler //IEEE photonics technology letters. -2011. - Т. 24. - №. 1. - С. 76-78.

166. Roelkens G. et al. III-V/Si photonics by die-to-wafer bonding //Materials Today. - 2007. - Т. 10. - №. 7-8. - С. 36-43.

167. Abbasi A. et al. Direct and electroabsorption modulation of a III-V-on-silicon DFB laser at 56 Gb/s //IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2017. - Т. 23. - №. 6. - С. 1-7.

168. Tanabe K. et al. Room temperature continuous wave operation of InAs/GaAs quantum dot photonic crystal nanocavity laser on silicon substrate //Optics express. - 2009. - Т. 17. - №. 9. - С. 7036-7042.

169. Tanabe K. et al. Electrically pumped 1.3 ^m room-temperature InAs/GaAs quantum dot lasers on Si substrates by metal-mediated wafer bonding and layer transfer //Optics express. - 2010. - Т. 18. - №. 10. - С. 10604-10608.

170. Tanabe K., Watanabe K., Arakawa Y. III-V/Si hybrid photonic devices by direct fusion bonding //Scientific reports. - 2012. - Т. 2. - №. 1. - С. 349.

171. Tanabe K. et al. High-temperature 1.3 ^m InAs/GaAs quantum dot lasers on Si substrates fabricated by wafer bonding //Applied Physics Express. -2013. - Т. 6. - №. 8. - С. 082703.

172. Jhang Y. H. et al. InAs/GaAs quantum dot lasers on silicon-on-insulator substrates by metal-stripe wafer bonding //IEEE Photonics Technology Letters. - 2015. - Т. 27. - №. 8. - С. 875-878.

173. Seassal C. et al. InP microdisk lasers on silicon wafer: CW room temperature operation at 1.6 ^m //Electronics Letters. - 2001. - Т. 37. - №. 4. - С. 1.

174. Van Campenhout J. et al. Electrically pumped InP-based microdisk lasers integrated with a nanophotonic silicon-on-insulator waveguide circuit //Optics express. - 2007. - Т. 15. - №. 11. - С. 6744-6749.

175. Liang D. et al. Electrically-pumped compact hybrid silicon microring lasers for optical interconnects //Optics express. - 2009. - Т. 17. - №. 22. - С. 20355-20364.

176. Liang D. et al. Integrated finely tunable microring laser on silicon //Nature Photonics. - 2016. - Т. 10. - №. 11. - С. 719-722.

177. Moiseev E. I. et al. Lasing in microdisk resonators with InAs/InGaAs quantum dots transferred on a silicon substrate //Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2014. - Т. 541. - №. 1. - С. 012049.

178. Акчурин Р.Х., Мармалюк А.А. МОС-гидридная эпитаксия в технологии материалов фотоники и электроники //Москва: ТЕХНОСФЕРА. - 2018.

179. Дубровский В. Г. Теория формирования эпитаксиальных наноструктур //М.: Физматлит. - 2009.

180. Хирш П. и др. Электронная микроскопия тонких кристаллов. -

1968.

181. О. Б. Сарач, Основы технологии электронной компонентной базы. // Москва: издательство НИУ МЭИ. - 2012.

182. Nakwaski W., Osinski M. Thermal resistance of top-surface-emitting vertical-cavity semiconductor lasers and monolithic two-dimensional arrays //Electronics Letters. - 1992. - Т. 6. - №. 28. - С. 572-574.

183. Michalzik R., Ebeling K. Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser Devices, chapter 3. - 2003.

184. Kryzhanovskaya N. V. et al. Microdisk injection lasers for the 1.27-^m spectral range //Semiconductors. - 2016. - T. 50. - C. 390-393.

185. Zhukov A. E. et al. Thermal resistance of ultra-small-diameter disk microlasers //Semiconductors. - 2015. - T. 49. - C. 674-678.

186. Fujita M., Sakai A., Baba T. Ultrasmall and ultralow threshold GaInAsP-InP microdisk injection lasers: design, fabrication, lasing characteristics, and spontaneous emission factor //IEEE Journal of selected topics in Quantum Electronics. - 1999. - T. 5. - №. 3. - C. 673-681.

187. Al-Omari A. N. et al. Low thermal resistance high-speed top-emitting 980-nm VCSELs //IEEE Photonics Technology Letters. - 2006. - T. 18. - №. 11. -C. 1225-1227.

188. Chang Y. C., Coldren L. A. High-efficiency, high-speed VCSELs for optical interconnects //Applied Physics A. - 2009. - T. 95. - C. 1033-1037.

189. Iwai N. et al. 1060 nm VCSEL array for optical interconnection //Furukawa Review. - 2009. - №. 36.

190. Demir A., Zhao G., Deppe D. G. Lithographic lasers with low thermal resistance //Electronics letters. - 2010. - T. 46. - №. 16. - C. 1147-1149.

191. Baveja P. P. et al. Assessment of VCSEL thermal rollover mechanisms from measurements and empirical modeling //Optics express. - 2011. - T. 19. - №. 16. - C. 15490-15505.

192. Michalzik R., Ebeling K. J. Operating principles of VCSELs //Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser Devices. - 2003. - C. 53-98.

193. Kryzhanovskaya N. V. et al. Evaluation of energy-to-data ratio of quantum-dot microdisk lasers under direct modulation //Journal of Applied Physics. - 2019. - T. 126. - №. 6.

194. Coldren L. A., Corzine S. W., Mashanovitch M. L. Diode lasers and photonic integrated circuits. - John Wiley & Sons, 2012. - T. 218.

195. Saini S. S., Cho S. H., Dagenais M. Thermal considerations in high power semiconductor lasers and semiconductor optical amplifiers //Photonics Packaging, Integration, and Interconnects VII. - SPIE, 2007. - Т. 6478. - С. 77-91.

196. Kryzhanovskaya N. V. et al. Continuous-wave lasing at 100° C in 1.3 ^m quantum dot microdisk diode laser //Electronics Letters. - 2015. - Т. 51. - №. 17. - С. 1354-1355.

197. Ji H. M. et al. Self-Heating Effect on the Two-State Lasing Behaviors in 1.3-^m InAs-GaAs Quantum-Dot Lasers //Japanese Journal of Applied Physics. - 2010. - Т. 49. - №. 7R. - С. 072103.

198. Iga K., Li H. E. Vertical-cavity surface-emitting laser devices //Cham, Switzerland: Springer. - 2003.

199. Kapon E. Semiconductor lasers I: fundamentals. - Academic Press,

1999.

200. Slusher R. E. et al. Threshold characteristics of semiconductor microdisk lasers //Applied physics letters. - 1993. - Т. 63. - №. 10. - С. 13101312.

201. Adachi S., As A. G. Material parameters for use in research and device applications' //J. Appl. Phys. - 1985 - Т. 58 - №3 - Rl-29.

202. Sze S. M., Li Y., Ng K. K. Physics of semiconductor devices. - John wiley & sons, 2021.

203. Karow M. M. et al. On-chip light detection using monolithically integrated quantum dot micropillars //Applied Physics Letters. - 2016. - Т. 108. -№. 8.

204. Beling A., Campbell J. C. InP-based high-speed photodetectors //Journal of lightwave technology. - 2009. - Т. 27. - №. 3. - С. 343-355.

205. Zhukov A. E. et al. Quantum-dot microlasers based on whispering gallery mode resonators //Light: Science & Applications. - 2021. - Т. 10. - №. 1. -С. 80.

206. Tossoun B. et al. Indium arsenide quantum dot waveguide photodiodes heterogeneously integrated on silicon //Optica. - 2019. - T. 6. - №. 10. - C. 1277-1281.

207. Michel J., Liu J., Kimerling L. C. High-performance Ge-on-Si photodetectors //Nature photonics. - 2010. - T. 4. - №. 8. - C. 527-534.

Тексты публикаций

i i St. MiJiirg Pülybethriic JniYeisity Journal. Physics and Mdthenri^tks. 1023. Vol. Ifi. Mo. 1.2 Научно-технические ведомости СПб ГПУ. Физико-математические науки. 16 (1.2} 2023

Cünfenence matEilals LI DC 53S.95Q

DOt: http5://doi.oiigftO.1872lflPM.161.216

Thermal characteristics of ill-v microlaser^ bonded onto silicon hoard

A.S. Dragunova N.V. Kryzhanovskaya '-1, IF. I. Zubov '.3, E. I. Moiseev A.M. Nadtochiy N A. Fonniriykli1, K.A. Ivanov M.V, Maximov АЛ. Vorobyev 2, A.M. Mozharov2, N.A. KalyuZhrtyy 3. S.A. Mintairov3. N.Vu. CordeevYu.A. Guseva M.M. KulaginaJ. A.E. Zhukov 1 1H5E Univasity,. St Pebeisbur-g, Rusaat ] AlfiefOY LAiivei^rty, St Petei'sbirg,. Russia; 1 loffe QiEfihie,. 3 Petersburg,. Russia "anrbdi-a@ilist,nj

AV. tract. Ii thi: we -rudy characteristic: of «nicndiclir iíii:r:>li:er: bi:e-c en

the heterojuuctuie Tvith two coupled waveguides Lueiided та- improve lit it disLijmion im cw regime. We analysed ta-cil oinpnt optical 1dm of [he шктокьегь. their specifai characteristics, on [put power. едййя panera jx-c rher-iul miitucc. We observed that та: use of the principle of mo coupled ге^олаш jilmi и ni active and раш^с, j: well a: ji-side down bonding.

:igjiiñcan[ly reduce: the thermal re:i.:t*.n:: nfnicniliicn aid imjHouiei their performance.

&twkIi: hybrid integration. microla:er, quantum well dots, thermil :e;L;tin£:

Ft.iJLií: Tili: study wii :u5jor:;d by Russian 5cí;íc; Foundation grant 1S12 M2S7. Jit[p!://iscf.n)..'pra-ject/lS,-12-IHtiS7/. Support of optical measurements траь implemented in the framework of tie Basic He :e arch Program at the Nation il Re :e arch University Щр-her School of Economic: (HSE University).

Citilioi: Drifruovi A.S., Kryzhanov:kaya N.V., Zubov F.LT Moiseev E. L, Ni dtochiy A.M.. РмшдЦ N_A_, biiovE. MaTdmov M.V.г Vorobyev A.A., Moiharov M_, Kalv-urhnyy N. A., Gordeev N. Yu, Gusevi Yu. A., Kulagina M. M.. Zhukov A.E.. Thermal chir-»cteiiitic: of Ш-V uiicrolaseii bonded onto ¡ilk-cm bond, St. Pítií:bu:.e State Folyiechnical TJuvcnity Journal. Physic: and Mithematic:. 14 i 1.2J 10Í-113. DOI: hTtps://do¡.

org/10. 1S7 21/JPM. 161.2 is

This i: an орел »cce-:: inicie under [he CC BY-NC 4.0 license fhnps://creitb'ec-ociQions. org/licenaea/by-nc/4. ft/)

Материалы конференции

УДК 538,958

DOI: https ¡//doi.Migf10.18721/1PM.161.216

Тепловые характеристики мнкроллгеров lll-V, перенесенных на кремниевую подложку

A.C. Драгунова,е, н.В. крыжа но вская '■2, Ф.и. Зубов Э.и. Моисеев \ A.M. Надточий Н,А. Фоминых ', К.И. Иванов '. М.В, Максимов A.A. Воробьев3, A.M. можаров3, НА. Калюжный3, С.А. МинтаироЕ3, Н.Ю. Гордеев3, ЮА. Гусева1, м.м. КулагинаJ.А.Е. ЖукОЕ 1

1 Наццо+н-альный носледов^гельа^й VHMBepartierr «Вькшл шкала эконоилки^ Санкт-Петербург, Pocíiw; ■■'Акцре»1ческий университет им,, Ж.И, Алфёрои, СаН1гг-Петер6\рг, Рония; Jttn3HKO-resHH4ecKHH институт им. А-Ф. Иоффе РАН. Санкт-Петербург.. Россия

" d nrdl'd rJ'l ät" II

С D^hf-PüD^'i A_i., N.V., Zilpv Г.I.. M«ÍLA-CV E.].. A.M.. TomiajLl N.A.. EVLA.DV LL,

Min:Lci4v H.V.. A.A.. Mp=bjfpv A.M.. ZiLjiikayy *N.A.4 N.Yi, biie^i TkJL, KiIIPLD.1 M.M..

ZLiL«v А.Б.. Jt^J. Pibj:hMj lyPtctrdt Cpi^ic 3-t. Pt::r.:up Ftiyiccljic Uüh'í.-Jr:

ал б от ш л. Б линей рг.&гг; нгсв^шса \ар актериспскн пажуиуаидшииа шкролиеров на осноре гетеросгрукгуры с друмя свя7аниымн ролнородя кп. прелия зиачгнныу для упучпмни тепла-отвола в непрерывном рескпме. Были пр о »на-шшр о еты по.шы: съг;: лкы; оигмчсскнс потерн мзгкрол■ кров. ну спектр ианве уярнперистшлс. РШ9ЛН1Я нмцвшц лпягракмя ияпр арленносгн излучения и гелю со; сопротивление. Отметим, что исподрзорание npicmnim двуя срдзякньг-: резоиянпшг.-п-инарныу ролиоролов, актирного н пясснвного. i соешснення р-стороной

вши 7Н1чгпел1.Н0 енгы^ет тепла-рое с-опрошрление нп:ро лазер эр п улучшает их ор нлеристшлс.

Клнпмые г ит шоршнаа интеграция.. мюфолазер, крянтовые ва ппЕН, тепловое с опр ОТИЫеНИе

Фи инрпие: Исследование выполнено при поддерззн грд.нтя Р НФ1 ff-1Э -0-0 2 ff7, ht[ps://rscf.rr/pioject/li-i2-QG2S7/. Оптические нтыерешея осуществлены р ргмкят: Программы ф уид г. ме н т л л ь нинсследовашсй HI IV" Б'Ш Э.

Ceiuki ipi impci йен: ДрагуноР! А.С.. ЫрьсЕянорск1я Н.Е.. Зубов Ф.Н., Моисеер ЭЛИ., Н»аточнй A.M.. Фонвии Н.А., Hpihob KLA^. Максимов М.Е.. Роробьер АЛ., Mo;cipap A.M.. Каддннй Н.А.. Горя«в Н.Ю.. Гусева Ю-А., Кушнв! М.М.. Ж.уюор А.Е. Псследорянпе тепло pics тар Я1 лгриспск мю;р о л* зер о в iii-v. перенесенные hi крекнне сую поллону // Няучно-теттнпческие ведомости СПбГПУ. Фн7нкп-мжпаитнчвскне науки. 2023. Г. 14. 1.2. С. 1-D-S—113. DOI: hrtpi:// doi.oig/10.1Л711 /ГРМ. 161.216

Статья открытого лос-тупл. р »опр остр 1няемая по пнценянн СС BY-NC 4.0 (kttpi // ere atbecomnio iu.iHg/li«iic :/Ъу-д.с/4. 0/J

ЬМк1Й1

Tie aelf-heating effects of cw-opcrating diode lasers, associated with the incomplete conversion of the supplied electric power into light power. arc especially critical for devices with, a sruall surface area. as microdisk lasers [1]. The нёк region is the main source -of Joule bear in

a :eniiconductor lasers. Depending on the bonding side, heat can be removed mainly in two directions: toward s the relatively thin upper epitaxial layers and fo^'ird; the su b strate. One option to reduce thermal resistance is Го optimize the design of the- laser structure. The standard total thickness of the upper contact layer, the upper p-clad ding layer and the upper part of waveguide layer is about 2— 2.5 j.im. The upper p-cladding layer makes the largest contribution to this thickness (about 1.5 jjuni. It must effectively confine the fundamental optical mode within the vertical waveguide. As the cladding layer thickness decreases, the mode begins to penetrate into the highly doped upper contact layer, that leads to a catastrophic increase in internal optical losses up to the disruption of lasmg. The solution to the problem is to use the principle of two coupled resonant planar waveguides. of ■which one is active and another is passive [ 2]. An active waveguide contains an active region and frindament al mode. High-order modes resonantly tunnels into an optic ally coupled passive waveguide. Also, to reduce further the thermal rcsi:tanee and ensure maximum, heat -dissipation, one can mount lasers on a metal or ceramic heat sink with epitaxial layers down (_p-side down J.

In this work, we study the characteristics of microlasers developed from the heterostructure with two coupled resonant planar waveguid es, active and passive. The effect of thermal resistance reduction on the output power before and айег Ъ ending was Lave stigated.

Materials hihI MeOads

Growth -of the laser structure was carried out using- metalorganic vapour-phase epitaxy on n+-GaAs substrate misoriented by 6о towards [111] direction. The laser structure consisted of an Alh ,. GaH . .As n-clad ding layer with a thickness of 1.2 цш. a pas :ive n-GaAs waveguide with a thickness -of 0.55 цш. an n-AlH s.Ga As optical barrier, a main undoped GaAs w-aveguide with a thickness of 1.37 цш. an upper p-Alh ,-Ga, ..As cladding layer of 0.5 ^unand upper p-GaAs contact

& лjiгулdга а.с., lips *.ixoec]:ii h.0.. j]6d: 4.в.. 3.1] jiurccrfl a.m.. фоштт h.a.. [i;nc; k.a..

Mcciiiii H.ff . 0Dpa6it-c AA., Маляров A.M., Zunuul EA. Td^jke H.KJ... Ггсее! ЮЛ.. KyiiriHi Ы.М.. alyx&a л.е., ](■ ]j ¡iniriit: сигт-пео^рбт^ггелй □<,idr: :=dt::i^i± jihb|<гте-г петр■ b^iictro.

layer 0.15 _um thick ^Fig. 1). The active region collated of 5 layers of In&aAs quantum well dots. Within the waveguide layer, the active region wii :hifted towards the upper cladding layer and wa; located at a distance of 220 iim from it. Its location was chosen to be in the minimum of the second-order vertical mode. Lasing via the first-order mode (green line in Fig. If is suppressed due to it; resonant leakage into the optically coupled passive waveguide. Thus, roe managed ro locate the active region at a distance of only S70 um from the top :urface of the heterostmcture.

To support the effect of optical tunneling between the t*«a waveguides it is necessary that the efifrctiiLTe refractive indices of the interacting modes coincide, and the distance between the waveguides be comparable to the depth of mode penetration into the waveguide cladding. The effective refractive index of the mode increases with the thickness of the waveguide and/or the contra st of the refractive indev between the materials of the waveguid e layer and the clad ding. Therefore. it is po: sible to de sign waveguid e s .in such a way that one of the high-ord er modes of the wide, main waveguide will coincide in effective refracti^ne index with the fundamental mode ■of the narrow, additional waveguide. If the active medium is located in a multimode {active) waveguide, then a high-order mode re:ooantly tunnels into a single-mode waveguide and is excluded from laser generation due to a decrease in the optical confinement factor, as well as additional losses in the passive waveguide. The fundamental mode of the multimode waveguide does not change in this case. The advantage of this approach is the possibility o£ expanding the waveguide thickness in the vertical direction and selective suppression of high-ord er mod es, as well at a decrease in the thickness of the p-emitter layer.

Fig. 1. Structure's refractive index profile and transverse optical modes intensity profiles

Laser mesas were formed with a diameter of JO-jmi using plasma etching through the active region to the buffer layer. Metal contacts were formed using Anfic/Ni/Au and AgMn/Ni/Au for n- and p-contacts, respectively. Four different types of laser mesas with contacts w-ere formed: microdisk lasers iD), inicroring lasers with 50 and JO jLm outer diameter and JO jmi ^as signed as RB) and I £ ^un ^as signed as R.S | inner diameter. The Au-An thermocompres sion bonding of microdisk lasers to the silicon surlhce was performed using a Finetech FINEPLACERlainbdal setup. Electroluminescence spectra were recorded u:ing a 20x objective. Horiba FHIi. 1000 monochromator and InGaAs CCD ¡spectral resolution JO pin) or, for measurements over a wide spectral range, a Yokogawa AQ6J70C optical spectrum analyser was used. The fhr field enri;sion pattern was obtained using a setup for mea:uring the spectral-angular dependences of the lasing intensitv.

First, broad-area (BA) lasers with a stripe width of 100 tun and a stripe length (Z) of200—4000 tiin were formed from the grown epitaxial stmcture. BA lasers operating in the CW-inode at room temperature have a lasirig wavelength that strongly depends on the stripe length (Fig. 2, u|. Such a change in wavelength is associated with losses in the laser. We have studied the dependence of the differential quantum efficiency on the length of the resonator, and we determined the internal optical losses nv which amounted to only 0.7 cm"L and a high internal quantum efficiency of stimulated emission i)^ — 79i:t. According to the formula a + ^ 1 ¡L) ln( 1/Jt), where R — O.J is the fhcet reflectivity, we calculated the dependences of the total optical losses in a laser depending on

=.ll auf fvw

Re Mill v o I DiiciVMOi

■ aw* T<i1jl toss ¡crvi h|

Fig. 2. Dependence of the lasing wavelength oil the stripe length, inset: dependence of the externa] differential efficiency oil the stripe length dependence of rhe total optical losses on the lasing

wavelength for PA lasers

the la:ing wavelength (Fig. 2, ¿J. From rhe experimental dependence of the lasing -wave length on the total loss we can estimate the total optical lots for microlasers using their emi:sion wavelength.

We have studied, lasing spectra of the microlasers at room temperature without bonding. Example of the lasing spectra obtained for micro dish lasers are presented in Fig. 3. With decreasing of the microdisk laser diameter we observe the tendency toward a decrease in the lasmg wavelength and an increase in the threshold current density (Fig. 4}, which is explained by an increase in losses in the microdisk laser. In accordance with the data of Fig. 2, t and 3, the total optical loss for a microdisk laser increases from 1J.6 cm-1 for a diameter of 50 ^m to 5i cm-1 for a diameter of urn.

IQH

Wavdonglh ;nn)

4£

Jumper i |.m:

Fig. 3. Electrohunine:cence spectra for microdisk lasers with a diameter of 70,

40, and 50 jmi

Fig. 4. La;mg wavelength and threshold current v; microdi:k diameter (data was obtained for two microlasers of each diameter \

Next we compared the thermal resi:tance for diflfcrent types of microlasers with a diameter of 30 and 50 jLm before and after bonding to a Si substrate (Fig. 5|. For microlasers with a diameter of JO fjin. the thermal re sistance was observed at a level of 0.5 5 K/mW for all types of microlasers before bonding. The value of the thermal resistance for a smgle-waveguid e micro disk laser with a diameter of JO jLm was obtained in [3] to be 0.59 K/mW, which is slightly larger than the vahie obtained for our microdisk laser with the same diameter. After bonding a decrease in thermal resistance by a factor of about 3 is observed for all the microlasers. In our microdisk lasers, the value of thermal resistance after bonding decreased to 0.22 K/mW. while for a single-waveguide microdi:k laser, this value decreased to 0.32 K/mW. Based on this comparison, w-e can conclude that the use of the principle of two coupled resonant active and passive planar waveguides makes it possible to reduce the thermal resi:tance of microlasers.

We also studied the dependence of thermal resistance on the microla:er type for lasers with a diameter of 50 pi before bonding. Fig. 5, i show: that, the thermal resistance of the microLaser increases with a decrease of its area. Alter bonding, regardless of the type of microLaser, the thermal resistance decreases to - 0.15 k/mw.

4

51. №txrsfaivg Polytechnic: Univei^ity Journal. Physics ^rd Hdtfiemtdlics. 2023. Vol. 16. Mo. L.2

i)

E

1/

n

1'

a

■ Bilitv l,':iij"-y

* 9 EhlCT-a h:ndi-a ZuLot-2331

■ r ^

l[Mi

"M |jm

t Mil L-j'ul fK|

1 HIICI ihq Jitc-v-Tini

■ I6* r

L J

®q-. *

0 0 O

i Dflan za-dih

r Mrla^ ■

5»|JVI -

-

-

■ 1 ■

' * 1 fiM _

tkrolan« ty,pe

Mcrduirtipi

Pi

Pig. i. Thermal resistance befoie and after bonding against microlaser type for 30 jun (¿7) and >0 |mi (i)

Reducing thermal resistance improves various characteristics of microlasers. Increase of the output power after bonding was observed for all the devices studied. An example of a change in the output optic al power is shown in Figure b. Also, a decrease in thermal resist ance after bonding led to an increase in the output power with the slope of power dependence and increase of the bias current of the thermal roll-over.

Next the tar-field emi:sion pattern was obtained for a microdisk laser with a diameter of 50 pjn at various injection currents (Fig. 7). To study the fir-field emission pattern. 3 different detector was used than the detector for collecting the output optical power, thus only a fraction of the output signal in a small azimuth angle was collected. We observe an interference pattern with the maximum emission power concentrated in the first two fringes with polar angles of 2' and 3". This pattern is due to the interference of the direct and reflected from the planar etched GaAs surface output light of the microLaser. The angular position of the fringes depends only on the active region height above the bottom GaAs surface [4]. By fitting thi: dependence with a model that represent! the output as a Gaussian beam, we can estimate the waist radius to be 0.9 |m and thus the aperture (beam divergence) calculated with a well-known formula is 2a — \ ^40'.

---UHLialrr .J..J>J|ifa. I IJ.ilih h -x,

- Up tf >nnKJtt1LE Ui■ I p.— Dj.l.L-jlllrjU.l.Tl^vlLLIjL,!

- Mai DvipJ rq Hi^-nkjDjhi lull

Fig.

Current |A|

6. The dependence of the output optical power on a threshold

Fig. 7. The vertical tar-field emission pattern for 50 jjim microdisk laser

Coicli^loi

The total optical loss for microlasers with different diameter: was calculated. The intensity peak positions on the emission pattern of 50 ^im microlaser stayed unchanged with the increase of the injection current. The u se of the principle of two coupled resonant planar waveguide s active and passive, as well ai p-side down bonding, can significantly reduce the thermal resistance of microlasers. A decrea:e in thermal resistance leads to an improvement in the characteristics of microlasers, including an improvement in the maximum optical power.

Afkiouledgiiieirs

This study was supported by Russian Science Foundation grant IS-12-002S7, https://rscf.ru/ project/IS-12-00 2 ff7/. Support of optical measurements was implemented in the framework of

the Basic Research Program ar the National Re:earch University Higher School of Economics (HSE University).

REFERENCES

1. IIlhIk^ A.E., et al.. Impact of self-heating and elevated temperature on performance of quantum dot microdisk lasers, ГЕЕ E Journal of Quantum Electronics, it ^ 5) (2020 J 1—5.

2. Gorier N.V.. et я].. Transverse single-mode edge-emitting lasers based on coupled waveguides. Optics Letters. 40 <9> (201S) 2.150-2152.

3. Zlt№ F. ь et sL L Improved performance of IriGaAs/GaAs microdisk lasers epi-side down bonded onto a silicon board,Optic: Letters. 46 (202Ц 3S53-3$5b.

4. Ыа I kiskaya et al.„ Experimental investigation of the ¿ir-field emis :ion pattern of microdi:k laser modes, Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publi:hing: 1695 (1} (2020) 012094.

THE AUTHORS

DRAGUNOVA Alii S. anndra®list.ru

ORCID: 0000-0002-0181-02 62

VQROBYEV Alesimdr A-

aler.spbpuiJmail.ni

ORCID: 0000-000J-2 077-1243

KSYZHANOV5KAYA Nitili V. n a t alia krvih ©g ina il. с о m ORCID: 0000-0002-4945-9503

MOZHAROV Alesey M. aley000090®Binail.com ORCID: 0000-0002-S661-40E7

ZUBOV Fed or L

fedyazu®mail.m

ORCID: 0000-0002-3926-3675

KALYUZHNYY Nftoliy A. ^ickk® nmil.ioffe.ru ORCID: 0000 -0001- E447-466J

MOEEEV Eiuri L

emoiseevOh :e.ru

ORCID: 0000-000J-36S6-935 X

mtntatkov Sergey a, mint airov ® s с ell. ioffe. ru ORCID: 0000-0002-4176-6291

NADTOCHIY AJetey M. aL na d t ochv® mail. i ofife. m ORCID: 0000-000J-09S2-907X

OORDEEV Nikita Ym.

Go rdeev® switch, ioffr.ru ORCID: 0000 -0002- 9919-4794

FOMINYEH Nikita A.

fominv-nikit a ©vand er. ru ORCID: 0000-000J-3919-6410

GU5EVA Villi A. Guseva.Julia®mail.ioffr.ru ORCID: 0000 -0002-7035 - 4i 2X

IVANOV Eflutuda I. kivanovl992® gmail с om

ORCID: 0000-000J-2165-1067

KITAGIXA Millli M.

Marina .Ku lag ina® mail, iofifr.ni ORCID: 0000-0002-5721-1J5X

MAXIMOV Mikhail V. max imov. mikh ®g mail. с om ORCID: 0000-0002-9251-226X

ZHTEOV AleveV E. zhukalrEgniail.com ORCID: 0000-0002-4.5 79-071S

Received 29.09.2022. Approved after reviewing 09.LL2022. Accepted 11.11.2022.

Pete- me tineat 5t. PetefEDung Pc4vtechnt UnlveiErty. 2П23

PROCEEDINGS OF SPIE

5 PI E D ig i tal L o ra ry.o rg/confe rence- proceed i n g s-of- sp i e

Monolithic and hybrid integration of InAs/GaAs quantum dot microdisk lasers on silicon

Kryzhanovskaya, N., Moiseev, E., Nadtochiy, A.: Maximov, M.; Dragunova, A., et al.

N. Kryzhanovskaya, E. Moiseev, A. Nadtochiy, M. Maxiirtov, A. Dragunova, M Fetisova, IM. Kulagina, Yu. Guseva, S. Mintairov, N. Kalyuzhnyy, M. Tang, M. ILiao, J. Wu, S. Chen, H. Liu, A. Zhukov. "Monolithic and hybrid integration of InAs/GaAs quantum dot microdisk lasers on silicon," Proc. SRI E 11775, Integrated Optics: Design, Devices, Systemsand Applications Vi. I1775QP (18 April 2021); doi: 10.1117/12.2589118

SPIE. Event: SPIE Optics + Optoelectronics, 2021, Online Only

2. EXPERIMENTAL METHODS

A laser heterostructure was grown by low-pressure metal-organic chemical vapor deposition on an n--doped OaAs substrate ¿lightly tmsonented off (100 / plane. The subsUate miamntdkii together with, a moderate InAs mole fraction (k^0%) and Lome other specific regimes promotes formation of thickness and compositional modulation of

InGaAs lija. Thicker regions having higher indium content can be considered as an ensemble of island referred to as quantum ■mell-dots (QWDs) [9]. The surface -density of the QWD islands is about (3...5Jk10" cm"1, whereas for the convennonal Stranski-Krastanow cuantum dob a density of SxlO1" om'! is typical. We found that tidier density of QDs results in more efficient eriracticD of light o:" r. Lu im e gallery modes into free ",pa;a due probably to enhanced mode scattering at the microcarvity odenlk. This peculianty of QWD-based microdisk resonators significantly siuiphnes then characterization by optic al method;.

a b

Figure 1. Sketch of mdcradi^k array tran-Lferrad to frneign intonate comprian? finsnona] element on Lis imface (a] and eamiing elecnon microgniph oflater mi; rise taken at < idewa]] (b).

The laser active region comprise: several QWD plana; placed in the middle of a GaAs waveguiding layer jointly sandwiched between n-type and p-type All sGatiAs cladding layers. Fig. l.b. Microdisk resonators were formed by dry etching of circular mesa: with a height of about 6 nm and different diameter; varied from 10 to 50 pim. The etching was performed through the active region so that the mesa height was about 7 Jim. No sidewall passivation was used. Upon p+-GaA: cap layer of the laser beteroitructune. round-shaped AgMmNL'A» contacts were formed individually to ea;h microdisk. After foat the GraAs substrate was thinned ¿own to --100 urn. and a join d-tvpe contact «3 put onto a back side of the substrate. After that, the wafer was diced into chips containing various (up to 12} microdisks.

We used high-resistive (>1000 Ohm cm) silicon subs&ate to transfer microlaser chips onto it. Cr-'Au contact pads m formed on the silicon surface using laser lithography and lift-off process. The geonueny of the contact pads and conductive tracks between them provided the possibility of individual or group electrical connection to microlasers. Fig. l.a. The pad dimensions were chosen to correspond to the diameters of the top contacts of the microlasers. The tolerance of 0..3 u in was realised.

Fig. l.b shows the microlasers attached to a silicon wafer. One ;an clearly see a decrease in the thickness of the inieimediate layers between tbe microlasers and the surface on which they are located due to the mounting method we used. The thickness decreases from —100 to less thorn 10 urn. Micnolaser positioning and bonding was performed with FINEPLACER.® lambda 2 (Finetech. Germany). In contrast to our previous work [10]. m which the indium-sold eutectic was used for filing the microlaser chip on the 5i wafer, in the present work we used gold preforms. Fie. 3.a. The used bonding regimes (temperature and force) ensure reliable attachment of microdisks to the wafer and. at the same tune, then electrical connection. The method ensures that the IH-V chip are sufficiently foxuly attached to the silicon substrate. In particular, we found that when the chip is torn off. the semiconductor material is spht in the microdisk area, while the place where the microcircuit is attached to die substrate does not break. Fig. 3Tb.

Prao. of SPIE Vol 11775 1177MP-2

Monolithic and hybrid integration of InAs/GaAs quantum dot

microdisk lasers on silicon

N. Kryzhanovskaya^, E. Mbiseev5, A. Nadtochiy1. M. Ma3rimovh'\ A. Dragunova*, ML Fetisovab M Kulaeina^ Yu. Gusevac. S. Miuiairov\ N. Kalyuzhnyy*. ML Tane*1. ML Liaod J. U>id. S. Chen'1.

HL Liu^ A. Zhukov —

"National Research UmwasilyHigJi« School of Economics. 190008 St Petersburg. Russia: \AJferov University, 194021 St Petersburg. Russia: ^bffe Institute. St Petersburg. 194021, Russia; University College London. London. WOE 7JE. UK

ABSTRACT

A method of hybrid integration of quantum dot microdisk lasers with silicon wafer is proposed and realized. In addinon to the possibility of combining microlasers mth various sihcon-based electronic and photonic devices, this makes it possible to significantly improve bear removal from the active region of the microlaser. Tbe tbeimal resistance noimalizsd to the mesa area reaches the level of about 0.002 (K/W}*cnr. which is significantly loner than tbe corresponding values of QD microlasers on GaAs substrate and monolithic ally grown on Si. As a result, the threshold current as well a:- current-induced shift of emission wavelength are reduced m cmitnmons wave npsE.

KijTvords: Semiconductor laser, microdisk laser. n;.nostnijcturei- byblid integration

1. INTRODUCTION

Strong localization of charge cjiibsi vat Lud. individual quantum dots (QD:) nukes them less sensitive to Ban-radiative recombination caused by either epilaxy-related delects or by semiconductor surface since the earner diffusion is suppressed [1]. Owing to this unique properties, self-organized QDs did confirm than potential f« Bog as an active redon of iLght-emirtinE devices fabneated by means of deep etching. " c i^icrodisk'micrormE lasers, and/or nude of epitaxial materials with, high dislocation densities, e.g. ffl-V beterostnictures directly Eiown on silicon [2-4]. QD-based micro-lasers ponn on GaAs ofier better temperature stability compared to tbei: LnP-based counterparts [5.6]. For example. GnAs-based QD microdisk lasers have revealed then ability to low-rhresbold lasinE even at lOO^C [7].

Hybrid integration of HI V microlasers willi silicon is also attracting significant interest as an alternative to monolith:-: inlegraUon. Separate fabrication of a. HI V microlaser or an array of the microlasers and their subsequent transfer to a foreign substrate neatly simplify the compatibility of the epitactial growth of a laser matenal with the process of manufacturing Si-based electronic and photonic components. The residual GaAs substrate can be used as a common {-) electrode to the array of microlasers. whereas separate current injection Lnto the selected laser element is provided by tbe formation of electrically isolated (+) contact pads on the surface of Si or £01 substrate, Fig. l.a. Light outcoupling from the microlaser can be earned out into free space or into ndgie waveguides made on the surface. Moreover, placing microlasers _p-side down should improve then thermal resistance as compared to conventional (p-side up) geomeUy. It is of great importance since tbe self-healing effect causes an additional increase of the threshold current and sets the nrinnnmm diameter of the microlaser at which tbe laser cm operate in C\V regime [8].

In tbe present work we describe a method suitable for integration of QD microdisk laser with silicon and present the results of tbe preliminary characterization of hybiid-integrated QD microlasers.

nataliakrizhif Email.com: phone +-7-B121-6445911; https: spb.hse.ru.

Integrated Optics: Design. Devices, Systems and App) cat ens VI edited by Pauel C heben, Jiff Ctyroky

5 >30 Mo ra-Fe-aioez, Proc. of SPIEVol. 1 775, ■ 1775DP ■ ® EPIE CCCcode: 0277-7BKni/521 ■ doi: 1D.1117J12.2553118

Proc. of 5PE VbL 11775 1177MP-1

2. EXPERIMENTAL METHODS

A laser heterostructure wa: grown by low-pres:ure metal-organic chemical vapor deposition on an n--doped GaAs substrate slightly misonented off (100 / plane. The subsUate miamntdkii together with a moderate InAs mole fraction (x^0%) and some other specific growth regimes promotes formation of thickness and composinonal modulation of InGaAs lija. Thicker regions having higher indium content can he convened as an ensemble of island referred to as quantum well-dots (QWDs) [9]. The surface density of the QWD islands is about (J... 5^x10" cm"1, whereas for the convennonal Stranski-Krastanow cuantum dots a density of SxlO1" cm"! is typical. We found that higher density of QDs results in more efficient extraction of light of wtuspeimg gallery modes into free space due probably to enhanced mode scattering at the microcarvity odenlk. This peculianty of QWD-based microdisk resonators significantly simphnes then characterization by optic al method:.

a b

Figure 1. Sketch of tmcradi-Lk array rran-Lferrad m frneign comprising finitiona] elements oa Lis imface (a] and