1.3μm波段InAs/GaAs量子点激光器性能研究

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摘要：利用气态源分子束外延技术在GaAs衬底上生长InAs量子点材料，研制出激射波长为1.3μm波段由5层量子点组成的3mm腔长、3μm脊条宽度的InAs/GaAs量子点激光器。在室温连续波模式下，研究了激光器的输出性能和光谱性能，激光器的阈值电流为91mA，相应的阈值电流密度为1011.1A/cm2，激光输出功率斜效率为115mW/A，最高输出功率达到30mW。在温度范围10～50℃内，测得激光器的特征温度为40K。另外，研究了改变注入电流和改变激光器的工作温度条件下的器件激射波长的调谐特性。
0引言
由于具备独特的光电特性，有源区载流子自由度受限，存在三维量子限制效应[1-2]，使得量子点材料对于基础物理研究和新型光电子器件的研究都有重要的意义。因此，通过分子束外延在GaAs（或InP）衬底上生长InAs量子点的技术得到了快速发展。量子点是用于光纤通信系统中激光器和半导体光放大器的非常有前景的有源区材料[3-4]。量子点激光器（QDL）具有线宽窄、阈值低和宽增益谱等优点，广泛应用于外腔激光器、超辐射二极管、单光子源、量子通信和全光逻辑器件等领域[5-8]。
InAs/GaAsQDL可以工作在1.3μm波段。刘会赟教授[9]的研究团队研制出室温连续激射的InAs/GaAs激光器，展示了QDL的低阈值和线宽窄的独特优势。龚谦课题组研究在不同衬底（InP、GaAs、Ge等）上生长InAs量子点，并通过制备工艺技术制作脊条型激光器，研究器件的性能[10-12]。需要说明的是，研制单片集成Si基1.3μm发光波段的量子点激光器，需要先在GaAs衬底上异质外延InAs量子点，然后再采用Ge-on-Si复合衬底作为媒介。
本文研制出激射波长为1.3μm波段的GaAs基InAs量子点激光器。其中，器件腔长为3mm，脊条宽度为3μm，测试得到激光器的阈值电流为91mA，相应的阈值电流密度为1011.1A/cm2，激光输出功率斜效率为115mW/A，最高输出功率达到30mW。在温度范围10～50℃内，测得激光器的特征温度为40K。同时，研究了改变注入电流和改变激光器的工作温度条件下的器件激射波长的调谐特性。
1材料生长和器件制作
InAs量子点结构采用气态源分子束外延设备在GaAs（100）衬底上制备。选用n型GaAs衬底，在580℃下解氧吸附后，生长500nm厚掺Si的GaAs缓冲层，使衬底表面变平。然后，生长20个周期2nm掺Si的AlGaAs、2nm厚度的GaAs超晶格结构（AlGaAs/GaAs）作为波导层，再生长1500nm厚的掺Si的AlGaAs覆盖层。接着，降低衬底温度，生长5层相同（2.5ML）的InAs量子点作为有源区，每层以InGaAs（GaAs）间隔层隔离，然后在有源区上重复生长相同20个周期的AlGaAs/GaAs结构作为波导层，最后生长1500nm厚的掺Be的AlGaAs层和300nm厚的掺Be的GaAs作为欧姆接触层。
采用半导体器件制备工艺技术制作了上下电极结构的窄脊条端面发光的量子点激光器，直接以晶体材料的自然解理面作为谐振腔面，两端解理面之间的波导层作为激光器的谐振区域，并通过金属蒸发制作了GaAs的上下电极。测试用的激光器的脊条宽度为3μm，腔长为3mm；芯片用铟膏焊接在铜块热沉上；热沉的温度调节和芯片的电流注入都通过温控电流源进行控制。激光器的激射光谱用带有液氮制冷InSb探测器的Nicolet860傅里叶光谱仪进行收集。输出功率用接有InGaAs探测器的光功率计进行测量。所有的测量都在连续波（CW）模式下进行。
2结果与讨论
2.1光谱调谐特性
在连续波模式下，温度为20℃，脊条宽度为3μm，腔长3mm的激光器激射光谱，如图1所示。阈值电流为91mA，阈值电流密度为1011.1A/cm2,中心峰值波长位置约在1325nm处，为多模激射。

量子点激光器的激射波长是由有源区量子点的能级决定的，而能级又与它的生长尺寸相关。尺寸的不均匀，会导致器件能够激射的波长范围很宽。
改变激光器的注入电流大小，实际上是改变器件内部载流子的填充效应。也就是说，随着外加电流的持续注入，载流子浓度升高，基态强度饱和，使得载流子逐渐向更高能级填充，出现高能激发态激射。图2为20℃时，InAs/GaAs量子点激光器光谱随注入电流变化的变化情况。

通过增大注入电流，电流变化范围为100～300mA，实现了器件光谱的电流调谐，调谐范围为10～15nm，平均调谐速度为0.5nm/mA。激射谱开始展宽、蓝移且光强度逐渐变大。
在温度调谐过程中，利用填充介质的禁带宽度与温度的关系实现激射波长的调谐，调谐范围与有源层内的介质种类有关。实验中，在CW模式下，电流设定为200mA。通过提高工作温度，变化范围为18～40℃，实现了器件光谱的温度调谐，如图3所示。

随着工作温度上升，器件激射光谱逐渐往长波方向移动，发生红移现象，平均调谐速度为0.59nm/℃，调谐范围为15～20nm。同时，激光器的损耗增加，量子效率降低，净增益减小，激射谱光强度逐渐减弱。
2.2功率输出特性
在CW模式下，温度为20℃，脊条宽度为3.0μm，腔长为3.0mm的InAs/GaAs激光器I-P、I-V曲线，如图4所示。在阈值电流下，激光器输出功率斜效率为115mW/A，输出功率达到30mW。

为研究温度变化对器件功率输出性能的影响，测量了不同温度（10～50℃）下的激光器的I-P曲线，如图5所示。

对不同温度下的I-P曲线进行分析，可以得出：激光器的最高工作温度为50℃；随温度升高，激光器的最大输出功率降低，从36.6mW下降到3.9mW，同时器件斜效率减小，激光器性能迅速下降。这是因为温度升高时填充介质损耗增加，而且载流子散射加剧，使得能够转化为光子的电子-空穴对的数目减少，基态强度变小，从而光增益抵消更多的损耗，净增益变小，性能下降。
特征温度T0反映的是激光器阈值电流密度的温度稳定性，理论上。但是，由实验测得的特征温度与理论值相比还有很大差距。阈值电流密度Jth与热沉温度T的变化满足[13]：
其中，J0是温度为0K时的阈值电流密度，T0为器件的特征温度。可以看出，激光器的阈值电流密度随温度的变化呈现指数关系，即随温度升高，阈值电流密度指数上升，使得器件性能下降。量子点激光器的阈值电流密度随温度的变化关系，如图6所示。

利用式（1）和式（2）线性拟合出激光器的特征温度T0为40K，J0为0.4A/cm2。可以说，特征温度的高低能够直接反映激光器中载流子受温度散射的强弱。提高特征温度,就要加强对载流子的限制。
2.3电压输出特性
量子点激光器的电压输出性能与激光器工作温度密切相关。因为温度的变化会使有源层内载流子浓度、迁移率以及填充介质的导电性发生变化。为探究温度变化对激光器电压输出性能的影响，测量了不同温度（10～50℃）下激光器的I-V曲线，如图7所示。

随温度的升高，曲线往左移动，激光器的开启电压和微分电阻减小。因为温度变化会引起填充介质中晶格振动散射和部分电离杂质的散射，使得载流子的迁移率减小，降低填充介质的导电性。而温度升高又会使介质的带隙宽度变小，势垒降低，相同情况下就会有更多的载流子穿越过低势垒，又使其导电性能大大提升。PN结势垒的降低，最终导致开启电压和微分电阻的减小。
为进一步研究温度对I-V特性的影响，对激光器的电压温度系数进行了实验计算和拟合。由于温度与正向电压存在线性关系[14]，在不同的固定电流下，测试并记录了不同温度下激光器正向电压的变化值，如图8所示。

对不同温度下的电压值进行线性拟合，得到了固定电流下的激光器的电压温度系数。随固定电流的增加（每隔60mA），从-3.22mV/K逐渐减小到-3.86mV/K，说明随着固定电流的增加，器件电压降的趋势更加明显。此外，可以拟合得出固定电流的自然对数值lnI和电压温度系数也满足线性关系，如图9所示。

3结语
采用气态源分子束外延设备在GaAs衬底上研制出激射波长为1.3μm波段的InAs/GaAs量子点激光器，在CW模式下，研究了激光器的光谱性能和输出性能，其中激光器的阈值电流为91mA，相应的阈值电流密度为1011.1A/cm2，激光输出功率斜效率为115mW/A，最高输出功率达到30mW。在温度范围（10～50℃）内，测得激光器的特征温度为40K。另外，研究了在改变注入电流和改变激光器的工作温度条件下器件激射波长的调谐特性。依据本文测试结果的反馈，为以后成功研制单片集成1.3μm波段Si基量子点激光器奠定了基础。
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