We analyze the structure of dislocations in electrically aged InAs quantum dot (QD) lasers on silicon to understand gradual device degradation. We find that misfit dislocations lengthen due to carrier injection, experiencing a combination of recombination-enhanced climb and glide processes constrained by the epitaxial structure. An examination of the dislocation geometry reveals that the climb process involves the addition of atoms to the extra half plane of the dislocation. Spontaneous emission from the QDs is also dimmer after aging. Additionally, the signature of misfit dislocations in the unaged laser, discernible as sharp dark lines in spatially resolved cathodoluminescence, is replaced by finer, more inhomogeneous contrast upon aging. We speculate that this change arises from vacancy clouds expelled from the dislocation during climb. With this insight, we evaluate the driving forces for dislocation climb that could be at play and discuss the origins of slow degradation in QD lasers.

1.
W.
Shockley
,
Imperfections in Nearly Perfect Crystals
(
John Wiley and Sons
,
La Jolla
,
CA
,
1952
).
2.
J.
Lothe
and
J. P.
Hirth
,
J. Appl. Phys.
38
,
845
(
1967
).
3.
J. P.
Hirth
and
J.
Lothe
,
Theory of Dislocations
, Reprint ed. (
Krieger Pub Co
,
Malabar
,
FL
,
1992
).
4.
J.
Weertman
,
Philos. Mag. A
11
,
1217
(
1965
).
5.
D. V.
Lang
,
L. C.
Kimerling
, and
S. Y.
Leung
,
J. Appl. Phys.
47
,
3587
(
1976
).
6.
S. F.
Wee
,
M. K.
Chai
,
K. P.
Homewood
, and
W. P.
Gillin
,
J. Appl. Phys.
82
,
4842
(
1997
).
7.
P.
Petroff
and
R. L.
Hartman
,
Appl. Phys. Lett.
23
,
469
(
1973
).
8.
S.
O’Hara
,
P. W.
Hutchinson
, and
P. S.
Dobson
,
Appl. Phys. Lett.
30
,
368
(
1977
).
9.
O.
Ueda
,
Jpn. J. Appl. Phys.
49
,
090001
(
2010
).
10.
S. L.
Yellen
,
A. H.
Shepard
,
R. J.
Dalby
,
J. A.
Baumann
,
H. B.
Serreze
,
T. S.
Guido
,
R.
Soltz
,
K. J.
Bystrom
,
C. M.
Harding
, and
R. G.
Waters
,
IEEE J. Quantum Electron.
29
,
2058
(
1993
).
11.
H.
Yonezu
,
I.
Sakuma
,
T.
Kamejima
,
M.
Ueno
,
K.
Nishida
,
Y.
Nannichi
, and
I.
Hayashi
,
Appl. Phys. Lett.
24
,
18
(
1974
).
12.
P. W.
Hutchinson
and
P. S.
Dobson
,
Philos. Mag. A
32
,
745
(
1975
).
13.
L. C.
Kimerling
,
P.
Petroff
, and
H. J.
Leamy
,
Appl. Phys. Lett.
28
,
297
(
1976
).
14.
K.
Maeda
and
S.
Takeuchi
,
J. Phys. Colloques
44
,
C4
(
1983
).
15.
D. V.
Lang
,
Annu. Rev. Mater. Sci.
12
,
377
(
1982
).
16.
A. Y.
Liu
,
J.
Peters
,
X.
Huang
,
D.
Jung
,
J.
Norman
,
M. L.
Lee
,
A. C.
Gossard
, and
J. E.
Bowers
,
Opt. Lett.
42
,
338
(
2017
).
17.
S.
Chen
,
M.
Liao
,
M.
Tang
,
J.
Wu
,
M.
Martin
,
T.
Baron
,
A.
Seeds
, and
H.
Liu
,
Opt. Express
25
,
4632
(
2017
).
18.
A. Y.
Liu
and
J.
Bowers
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
24
,
1
(
2018
).
19.
J. C.
Norman
,
D.
Jung
,
Y.
Wan
, and
J. E.
Bowers
,
APL Photonics
3
,
030901
(
2018
).
20.
J.
Kwoen
,
B.
Jang
,
J.
Lee
,
T.
Kageyama
,
K.
Watanabe
, and
Y.
Arakawa
,
Opt. Express
26
,
11568
(
2018
).
21.
K.
Li
,
Z.
Liu
,
M.
Tang
,
M.
Liao
,
D.
Kim
,
H.
Deng
,
A. M.
Sanchez
,
R.
Beanland
,
M.
Martin
,
T.
Baron
,
S.
Chen
,
J.
Wu
,
A.
Seeds
, and
H.
Liu
,
J. Cryst. Growth
511
,
56
(
2019
).
22.
M. E.
Groenert
,
C. W.
Leitz
,
A. J.
Pitera
,
V.
Yang
,
H.
Lee
,
R. J.
Ram
, and
E. A.
Fitzgerald
,
J. Appl. Phys.
93
,
362
(
2003
).
23.
T.
Egawa
,
Y.
Hasegawa
,
T.
Jimbo
, and
M.
Umeno
,
Appl. Phys. Lett.
67
,
2995
(
1995
).
24.
I.
George
,
F.
Becagli
,
H. Y.
Liu
,
J.
Wu
,
M.
Tang
, and
R.
Beanland
,
Semicond. Sci. Technol.
30
,
114004
(
2015
).
25.
P. G.
Callahan
,
B. B.
Haidet
,
D.
Jung
,
G. G. E.
Seward
, and
K.
Mukherjee
,
Phys. Rev. Mater.
2
,
081601
(
2018
).
26.
E. T.
Hughes
,
R. D.
Shah
, and
K.
Mukherjee
,
J. Appl. Phys.
125
,
165702
(
2019
).
27.
J.
Selvidge
,
J.
Norman
,
E. T.
Hughes
,
C.
Shang
,
D.
Jung
,
A. A.
Taylor
,
M. J.
Kennedy
,
R.
Herrick
,
J. E.
Bowers
, and
K.
Mukherjee
, arXiv:2005.06066.
28.
A. Y.
Liu
,
R. W.
Herrick
,
O.
Ueda
,
P. M.
Petroff
,
A. C.
Gossard
, and
J. E.
Bowers
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
21
,
690
(
2015
).
29.
D.
Jung
,
J.
Norman
,
Y.
Wan
,
S.
Liu
,
R.
Herrick
,
J.
Selvidge
,
K.
Mukherjee
,
A. C.
Gossard
, and
J. E.
Bowers
,
Phys. Status Solidi A
216
,
1800602
(
2019
).
30.
Z.
Liu
,
C.
Hantschmann
,
M.
Tang
,
Y.
Lu
,
J.
Park
,
M.
Liao
,
S.
Pan
,
A. M.
Sanchez
,
R.
Beanland
,
M.
Martin
,
T.
Baron
,
S.
Chen
,
A. J.
Seeds
,
I.
White
,
R.
Penty
, and
H.
Liu
,
J. Lightwave Technol.
38
(2), 240–248 (
2019
).
31.
D.
Jung
,
J.
Norman
,
M. J.
Kennedy
,
C.
Shang
,
B.
Shin
,
Y.
Wan
,
A. C.
Gossard
, and
J. E.
Bowers
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
122107
(
2017
).
32.
J.
Selvidge
,
J.
Norman
,
M. E.
Salmon
,
E. T.
Hughes
,
J. E.
Bowers
,
R.
Herrick
, and
K.
Mukherjee
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
131102
(
2019
).
33.
R.
Hull
and
J. C.
Bean
,
J. Vac. Sci. Technol. A
7
,
2580
(
1989
).
34.
J. A.
Olsen
,
E. L.
Hu
,
S. R.
Lee
,
I. J.
Fritz
,
A. J.
Howard
,
B. E.
Hammons
, and
J. Y.
Tsao
,
J. Appl. Phys.
79
,
3578
(
1996
).
35.
P.
Kightley
,
P. J.
Goodhew
,
R. R.
Bradley
, and
P. D.
Augustus
,
J. Cryst. Growth
112
,
359
(
1991
).
36.
M.
Uematsu
and
K.
Wada
,
Appl. Phys. Lett.
58
,
2015
(
1991
).
37.
R.
Beanland
,
A. M.
Sánchez
,
D.
Childs
,
K. M.
Groom
,
H. Y.
Liu
,
D. J.
Mowbray
, and
M.
Hopkinson
,
J. Appl. Phys.
103
,
014913
(
2008
).
38.
D. V.
Lang
,
P. M.
Petroff
,
R. A.
Logan
, and
W. D.
Johnston
,
Phys. Rev. Lett.
42
,
1353
(
1979
).
40.
P. M.
Petroff
and
L. C.
Kimerling
,
Appl. Phys. Lett.
29
,
461
(
1976
).
41.
G. A.
Baraff
and
M.
Schlüter
,
Phys. Rev. Lett.
55
,
1327
(
1985
).
42.
H.-P.
Komsa
and
A.
Pasquarello
,
J. Phys. Condens. Matter
24
,
045801
(
2012
).
43.
R. G.
Waters
and
D. S.
Hill
,
JEM
17
,
239
(
1988
).
44.
45.
W.
Frank
and
U.
Gösele
,
Appl. Phys.
23
,
303
(
1980
).
46.
T. Y.
Tan
,
H.-M.
You
, and
U. M.
Gösele
,
Appl. Phys. A
56
,
249
(
1993
).
47.
S.
Yu
,
U. M.
Gösele
, and
T. Y.
Tan
,
J. Appl. Phys.
66
,
2952
(
1989
).
48.
J.
Gebauer
,
M.
Lausmann
,
F.
Redmann
,
R.
Krause-Rehberg
,
H. S.
Leipner
,
E. R.
Weber
, and
P.
Ebert
,
Phys. Rev. B
67
,
235207
(
2003
).
49.
J. R.
Arthur
,
J. Phys. Chem. Solids
28
,
2257
(
1967
).
50.
M.
Ichimura
,
T.
Wada
,
S.
Fujita
, and
S.
Fujita
,
Jpn. J. Appl. Phys.
30
,
3475
(
1991
).
51.
Z.
Bryan
,
I.
Bryan
,
B. E.
Gaddy
,
P.
Reddy
,
L.
Hussey
,
M.
Bobea
,
W.
Guo
,
M.
Hoffmann
,
R.
Kirste
,
J.
Tweedie
,
M.
Gerhold
,
D. L.
Irving
,
Z.
Sitar
, and
R.
Collazo
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
222101
(
2014
).
52.
K.
Alberi
and
M. A.
Scarpulla
,
J. Appl. Phys.
123
,
185702
(
2018
).
53.
R. M.
Thomson
and
R. W.
Balluffi
,
J. Appl. Phys.
33
,
803
(
1962
).
54.
D.
Jung
,
R.
Herrick
,
J.
Norman
,
K.
Turnlund
,
C.
Jan
,
K.
Feng
,
A. C.
Gossard
, and
J. E.
Bowers
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
153507
(
2018
).
55.
K.
Ishida
,
T.
Kamejima
,
Y.
Matsumoto
, and
K.
Endo
,
Appl. Phys. Lett.
40
,
16
(
1982
).
56.
J.-M.
Gerard
, and
C.
Weisbuch
, U.S. patent 5075742A (24 December 1991).
57.
S. Y.
Hu
,
S. W.
Corzine
,
K. K.
Law
,
D. B.
Young
,
A. C.
Gossard
,
L. A.
Coldren
, and
J. L.
Merz
,
J. Appl. Phys.
76
,
4479
(
1994
).
58.
A.
Lee
,
Q.
Jiang
,
M.
Tang
,
A.
Seeds
, and
H.
Liu
,
Opt. Express
20
,
22181
(
2012
).
59.
S.
Chen
,
W.
Li
,
J.
Wu
,
Q.
Jiang
,
M.
Tang
,
S.
Shutts
,
S. N.
Elliott
,
A.
Sobiesierski
,
A. J.
Seeds
,
I.
Ross
,
P. M.
Smowton
, and
H.
Liu
,
Nat. Photonics
10
,
307
(
2016
).
60.
C.
Hantschmann
,
Z.
Liu
,
M.
Tang
,
S.
Chen
,
A. J.
Seeds
,
H.
Liu
,
I.
White
, and
R.
Penty
,
J. Lightwave Technol.
(
2020
).
61.
R.
Beanland
,
J. P. R.
David
, and
A. M.
Sanchez
,
J. Appl. Phys.
104
,
123502
(
2008
).
62.
H.
Wang
,
A. A.
Hopgood
, and
G. I.
Ng
,
J. Appl. Phys.
81
,
3117
(
1997
).
63.
J. C.
Norman
,
Z.
Zhang
,
D.
Jung
,
C.
Shang
,
M.
Kennedy
,
M.
Dumont
,
R. W.
Herrick
,
A. C.
Gossard
, and
J. E.
Bowers
,
IEEE J. Quantum Electron.
55
,
1
(
2019
).
You do not currently have access to this content.