Heteroepitaxy of indium phosphide (InP) and its lattice-matched alloys on silicon (Si) show great promise for Si-based optoelectronic devices and photonic integrated circuits. Here, we report the monolithic growth of high crystalline quality InP on V-groove patterned (001) Si substrates by metalorganic chemical vapor deposition, demonstrating a low surface defect density of 4.5 × 107 cm−2, characterized by statistical electron channel contrast imaging. This advanced InP-on-Si virtual substrate is implemented by combining a compositionally graded indium gallium arsenide (InxGa1 − xAs) buffer and optimized In0.73Ga0.27As/InP strained-layer superlattices on gallium arsenide on a V-grooved Si template. These techniques gradually accommodate the lattice mismatch and effectively filter most of the generated dislocations. A comprehensive material characterization and the demonstration of room-temperature continuous-wave electrically pumped laser diodes on Si validate the suitability of using this InP-on-Si platform for monolithic integration of InP- and Si-based electronic and photonic devices.
REFERENCES
1.
D.
Thomson
, A.
Zilkie
, J. E.
Bowers
, T.
Komljenovic
, G. T.
Reed
, L.
Vivien
, D.
Marris-Morini
, E.
Cassan
, L.
Virot
, J.
Fédéli
, J. M.
Hartmann
, J. H.
Schmid
, D.
Xu
, F.
Boeuf
, P.
O'Brien
, G. Z.
Mashanovich
, and M.
Nedeljkovic
, J. Opt.
18
, 073003
(2016
). 2.
Z.
Zhou
, B.
Yin
, and J.
Michel
, Light Sci. Appl.
4
, e358
(2015
). 3.
H.
Zhao
, S.
Pinna
, F.
Sang
, B.
Song
, S. T. Š.
Brunelli
, L. A.
Coldren
, and J.
Klamkin
, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
25
, 1
–10
(2019
). 4.
B. J.
Isaac
, B.
Song
, S.
Pinna
, L. A.
Coldren
, and J.
Klamkin
, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
25
, 8000107
(2019
). 5.
Y.
Liu
, A.
Wichman
, B.
Isaac
, J.
Kalkavage
, E. J.
Adles
, T. R.
Clark
, and J.
Klamkin
, J. Lightwave Technol.
35
, 4954
–4960
(2017
). 6.
V.
Rosborough
, F.
Sang
, J.
Fridlander
, H.
Zhao
, B.
Song
, S. T. Š
. Brunelli
, J. R.
Chen
, M. A.
Stephen
, L. A.
Coldren
and J.
Klamkin
, Integrated Photonics Research, Silicon and Nanophotonics 2019 (Optical Society of America
, 2019
), IM2A-5.7.
B.
Shi
, Q.
Li
, and K. M.
Lau
, J. Cryst. Growth
464
, 28
–32
(2017
). 8.
D.
Jung
, P. G.
Callahan
, B.
Shin
, K.
Mukherjee
, A. C.
Gossard
, and J. E.
Bowers
, J. Appl. Phys.
122
, 225703
(2017
). 9.
L.
Megalini
, B.
Bonef
, B. C.
Cabinian
, H.
Zhao
, A.
Taylor
, J. S.
Speck
, J. E.
Bowers
, and J.
Klamkin
, Appl. Phys. Lett.
111
, 032105
(2017
). 10.
B.
Shi
, Q.
Li
, and K. M.
Lau
, J. Appl. Phys.
123
, 193104
(2018
). 11.
B.
Shi
and K. M.
Lau
, Future Directions in Silicon Photonics
(Elsevier
, New York
, 2019
).12.
Q.
Li
, K. W.
Ng
, K. M.
Lau
, C. W.
Tang
, R.
Hill
, and A.
Vert
, J. Cryst. Growth
405
, 81
–86
(2014
). 13.
C.
Junesand
, H.
Kataria
, W.
Metaferia
, N.
Julian
, Z.
Wang
, Y.-T.
Sun
, J. E.
Bowers
, G.
Pozina
, L.
Hultman
, and S.
Lourdudoss
, Opt. Mater. Express
3
, 1960
–1973
(2013
). 14.
D.
Kohen
, X. S.
Nguyen
, R. I.
Made
, C.
Heidelberger
, K. H.
Lee
, K. E. K.
Lee
, and E. A.
Fitzgerald
, J. Cryst. Growth
478
, 64
–70
(2017
). 15.
M.
Sugo
, H.
Mori
, Y.
Itoh
, Y.
Sakai
, and M.
Tachikawa
, Jpn. J. Appl. Phys.
30
, 3876
(1991
). 16.
S.
Zhu
, B.
Shi
, Q.
Li
, and K. M.
Lau
, Appl. Phys. Lett.
113
, 221103
(2018
). 17.
S.
Zhu
, B.
Shi
, Q.
Li
, and K. M.
Lau
, Opt. Express
26
, 14514
–14523
(2018
). 18.
B.
Shi
, S.
Zhu
, Q.
Li
, C. W.
Tang
, Y.
Wan
, E. L.
Hu
, and K. M.
Lau
, Appl. Phys. Lett.
110
, 121109
(2017
). 19.
G.
Wang
, M. R.
Leys
, R.
Loo
, O.
Richard
, H.
Bender
, N.
Waldron
, G.
Brammertz
, J.
Dekoster
, W.
Wang
, M.
Seefeldt
, M.
Caymax
, and M. M.
Heyns
, Appl. Phys. Lett.
97
, 121913
(2010
). 20.
S.
Li
, X.
Zhou
, M.
Li
, X.
Kong
, J.
Mi
, M.
Wang
, W.
Wang
, and J.
Pan
, Appl. Phys. Lett.
108
, 021902
(2016
). 21.
Y.
Han
, W. K.
Ng
, Y.
Xue
, Q.
Li
, K. S.
Wong
, and K. M.
Lau
, Opt. Lett.
44
, 767
–770
(2019
). 22.
B.
Kunert
, W.
Guo
, Y.
Mols
, B.
Tian
, Z.
Wang
, Y.
Shi
, D.
Van Thourhout
, M.
Pantouvaki
, J.
Van Campenhout
, R.
Langer
, and K.
Barla
, Appl. Phys. Lett.
109
, 091101
(2016
). 23.
Y.
Shi
, Z.
Wang
, J.
Van Campenhout
, M.
Pantouvaki
, W.
Guo
, B.
Kunert
, and D.
Van Thourhout
, Optica
4
, 1468
–1473
(2017
). 24.
Y.
Han
, Y.
Xue
, and K. M.
Lau
, Appl. Phys. Lett.
114
, 192105
(2019
). 25.
O.
Parillaud
, E.
Gil-Lafon
, B.
Gérard
, P.
Etienne
, and D.
Pribat
, Appl. Phys. Lett.
68
, 2654
(1996
). 26.
L.
Czornomaz
, E.
Uccelli
, M.
Sousa
, V.
Deshpande
, V.
Djara
, D.
Caimi
, M. D.
Rossell
, R.
Erni
, and J.
Fompeyrine
, in Symposium on VLSI Technology
(IEEE
, 2015
), pp. T172
–T173
.27.
S.
Mauthe
, B.
Mayer
, M.
Sousa
, G.
Villares
, P.
Staudinger
, H.
Schmid
, and K.
Moselund
, Proc. SPIE
10672
, Nanophotonics VII, 106722U (2018
).28.
B.
Shi
, L.
Wang
, A. A.
Taylor
, S.
Suran Brunelli
, H.
Zhao
, B.
Song
, and J.
Klamkin
, Appl. Phys. Lett.
114
, 172102
(2019
). 29.
N. J.
Quitoriano
and E. A.
Fitzgerald
, J. Appl. Phys.
102
, 033511
(2007
). 30.
K.
Sears
, J.
Wong-Leung
, H. H.
Tan
, and C.
Jagadish
, J. Appl. Phys.
99
, 113503
(2006
). 31.
M.
Tachikawa
, T.
Yamada
, T.
Sasaki
, H.
Mori
, and Y.
Kadota
, Jpn. J. Appl. Phys.
34
, L657
(1995
). 32.
K.
Volz
, W.
Stolz
, A.
Dadgar
, and A.
Krost
, Handbook of Crystal Growth
(Elsevier
, New York
, 2015
), pp. 1249
–1300
. 33.
H.
Gottschalk
, G.
Patzer
, and H.
Alexander
, Phys. Status Solidi A
45
, 207
–217
(1978
). 34.
A.
Seki
, F.
Konushi
, J.
Kudo
, and M.
Koba
, J. Cryst. Growth
93
, 527
–531
(1988
). 35.
T. H.
Gfroerer
, Photoluminescence in Analysis of Surfaces and Interfaces
(Wiley
, New York
, 2006
).36.
B.
Shi
, H.
Zhao
, L.
Wang
, B.
Song
, S. T. S.
Brunelli
, and J.
Klamkin
, Optica
6
, 1507
–1514
(2019
). 37.
J. H.
Lee
, J.
Bovington
, I.
Shubin
, Y.
Luo
, J.
Yao
, S.
Lin
, J. E.
Cunningham
, K.
Raj
, A. V.
Krishnamoorthy
, and X.
Zheng
, Opt. Express
23
, 12079
–12088
(2015
). 38.
A.
Vega-Flick
, D.
Jung
, S.
Yue
, J. E.
Bowers
, and B.
Liao
, Phys. Rev. Mater.
3
, 034603
(2019
). 39.
J. F.
Geisz
, D. J.
Friedman
, J. S.
Ward
, A.
Duda
, W. J.
Olavarria
, T. E.
Moriarty
, J. T.
Kiehl
, M. J.
Romero
, A. G.
Norman
, and K. M.
Jones
, Appl. Phys. Lett.
93
, 123505
(2008
). 40.
M. L.
Lee
, E. A.
Fitzgerald
, M. T.
Bulsara
, M. T.
Currie
, and A.
Lochtefeld
, J. Appl. Phys.
97
, 011101
(2005
). 41.
S. B.
Samavedam
and E. A.
Fitzgerald
, J. Appl. Phys.
81
, 3108
–3116
(1997
). 42.
K. E.
Lee
and E. A.
Fitzgerald
, J. Cryst. Growth
312
, 250
–257
(2010
). 43.
E. A.
Fitzgerald
, Mater. Sci. Rep.
7
, 87
–142
(1991
). 44.
S.
Hasenöhrl
, J.
Novák
, I.
Vávra
, J.
Šoltýs
, M.
Kučera
, and A.
Šatka
, J. Electrochem. Eng.
62
, 93
–98
(2011
). 45.
A. Y.
Kim
, W. S.
McCullough
, and E. A.
Fitzgerald
, J. Vac. Sci. Technol. B
17
, 1485
–1501
(1999
). 46.
E. A.
Fitzgerald
, A. Y.
Kim
, M. T.
Currie
, T. A.
Langdo
, G.
Taraschi
, and M. T.
Bulsara
, Mater. Sci. Eng. B
67
, 53
–61
(1999
). 47.
M. K.
Hudait
, Y.
Lin
, and S. A.
Ringel
, J. Appl. Phys.
105
, 061643
(2009
). 48.
T.
Sasaki
, H.
Mori
, M.
Tachikawa
, and T.
Yamada
, J. Appl. Phys.
84
, 6725
–6728
(1998
). © 2020 Author(s).
2020
Author(s)
You do not currently have access to this content.
