Y10T278 华为与UCSB硅基外延生长量子点激光器的对比
海思=华为海思
昨天提了一句量子点激光器的老化，说量子阱激光器设置的老化电流1.5A，而量子点激光器的老化电流是100mA，这种对比好像不足以说明最后的结论。
再加一个对比度吧，UCSB也做硅基外延生长量子点激光器，但没有给出老化条件，在今年ECOC的特邀演讲报告，提了一下GaAs衬底InAs量子点的老化。
理论上，GaAs衬底的InAs量子点老化条件可以更苛刻，温度更高，电流更大。基于硅基外延的量子点激光器可靠性差一些，因为多了一个硅和三五族的应力界面。
但是，华为的硅基外延的量子点激光器，在更为苛刻的可靠性条件下，测试后的可靠性数据依然很好。
这种对比，能反应出“业内第一次”硅基外延量子点激光器的可靠性分析，这个结论。
再解释两句话，量子点激光器比量子阱激光器有更高的可靠性，量子点激光器比量子点激光器可靠性差一些。
到底是可靠性哪个更好？这是有前提的。
“量子点激光器比量子阱激光器，有更高的可靠性”，这个结论是基于同样技术条件下的。
量子阱的阱层，是平面晶体，对应力十分敏感，但量子点本身是分散的点，对应力不敏感。
量子阱也好，量子点也好，需要一层层生长的的。
两个材料的界面，与晶格常数失配度有关。
同样的失配度，膜层之间有同样的应力，量子阱对应力敏感，所以可靠性差一些。量子点对应力不敏感，则可靠性好。
这句话，重新梳理一下。
如果在GaAs上生长InAs量子阱，那么可靠性很差。
如果在GaAs上生长InAs量子点，那么可靠性很好。
这个对比的前提很重要。
可但是，咱们的量子阱工艺，选择了几乎可以忽略应力的晶格匹配的材料体系，这个技术的研究是在上世纪70年代，所以量子阱技术的可靠性比量子点技术好好很多。是“工艺成熟”，“晶格匹配”
咱们的量子点技术，选择的是“晶格不匹配”的GaAs衬底与InAs量子点，且量子点的生长工艺尚未形成规模商用，依然处于技术研究状态。
基于GaAs衬底的InAs量子点激光器，“晶格不匹配”有应力，量子点工艺不成熟，可靠性差一些。
产业目前的状态，
基于InP的量子阱晶格匹配工艺设计的激光器，可靠性更好。
基于GaAs的量子点晶格不匹配的工艺设计的激光器，可靠性差一些。
再回到混合集成激光器，把三五族的InP或者GaAs这些衬底都替换成硅衬底，就是混合集成激光器。
有源增益介质采用三五族材料的量子阱或者量子点，衬底采用硅。业内一般用Flip chip倒装焊，或者亲水键合工艺，或者微转印工艺，或者外延生长，昨天说的是硅基外延生长三五族技术。
~~InP、GaAs是元素周期表第三族与第五族元素的化合物
Flip Chip工艺，本质上是两个独立芯片，通过结构做嵌合
华为与UCSB的外延生长工艺的差异，在于Si的平面正切晶圆下，华为采用板面上生长，而UCSB则是在平面上划出111面的V槽，再进行外延。
刚才说目前的InP基量子阱激光器，晶格匹配，所以可靠性较好。
但是在硅上外延InP，再生长量子阱的话，硅和InP的缓冲层可就“不匹配”晶格了，这个技术难度十分十分的大。
业内讨论过硅与InP之间通过各种过渡材料来缓解晶格不匹配导致的缺陷，如
Si-GaP-InGaAsP过渡-InP
Si-Ge-InP
Si-GaAs-InP
......
都是研究状态，尚未商用。
反过来，由于量子点对应力不太敏感，硅基上外延GaAs缓冲层，再生长量子点的话，比硅基外延生长量子阱技术更容易实现些。
那么，GaAs衬底的量子点工艺，与硅基外延量子点工艺相比，硅与GaAs界面的晶格不匹配，以及反相畴，需要考虑晶体位错。所谓的位错，就是看各种宝石中间的杂点或者裂纹
UCSB用的MOCVD工艺，通过较厚的缓冲层，以及暗黑色的超经过位错过滤层，来逐层降低缺陷密度，提高晶体质量。
下图是UCSB 2019年的工艺
华为今年给出的数据，通过超晶格位错过滤层，TDD位错密度降低到每平方厘米6.5x10e6，
硅与GaAs的晶体界面位错密度2.0x10e7/平方厘米
单看这个数据的对比，硅与GaAs界面晶体质量，V槽工艺比平面工艺的位错密度更高。但，UCSB的结论是V槽工艺比平面工艺的位错密度更低。
~，UCSB在同样生长条件下，采用V槽与平面生长界面做对比，如2022的数据，V槽工艺比平面工艺的位错密度更低。
华为的外延设备与工艺与UCSB不同，硅上通过MOCVD工艺外延GaAs缓冲层，后续的超晶格和量子点则是通过MBE来生长的。整体而言，具有更好的晶体质量。
