1.3 μm波段InAs/GaAs量子點激光器性能研究*

楊維凱，王海龍，曹春芳，嚴進一，周長帥，龔 謙

（1.山東省激光偏光與信息技術重點實驗室，曲阜師范大學 物理系，山東 曲阜 273165；2.中國科學院上海微系統與信息技術研究所 信息功能材料國家重點實驗室，上海 200050）

0 引 言

由于具備獨特的光電特性，有源區載流子自由度受限，存在三維量子限制效應[1-2]，使得量子點材料對于基礎物理研究和新型光電子器件的研究都有重要的意義。因此，通過分子束外延在GaAs（或InP）襯底上生長InAs量子點的技術得到了快速發展。量子點是用于光纖通信系統中激光器和半導體光放大器的非常有前景的有源區材料[3-4]。量子點激光器（QDL）具有線寬窄、閾值低和寬增益譜等優點，廣泛應用于外腔激光器、超輻射二極管、單光子源、量子通信和全光邏輯器件等領域[5-8]。

InAs/GaAs QDL可以工作在1.3 μm波段。劉會赟教授[9]的研究團隊研制出室溫連續激射的InAs/GaAs激光器，展示了QDL的低閾值和線寬窄的獨特優勢。龔謙課題組研究在不同襯底（InP、GaAs、Ge等）上生長InAs量子點，并通過制備工藝技術制作脊條型激光器，研究器件的性能[10-12]。需要說明的是，研制單片集成Si基1.3 μm發光波段的量子點激光器，需要先在GaAs襯底上異質外延InAs量子點，然后再采用Ge-on-Si復合襯底作為媒介。

本文研制出激射波長為1.3 μm波段的GaAs基InAs量子點激光器。其中，器件腔長為3 mm，脊條寬度為3 μm，測試得到激光器的閾值電流為91 mA，相應的閾值電流密度為1 011.1 A/cm2，激光輸出功率斜效率為115 mW/A，最高輸出功率達到30 mW。在溫度范圍10～50 ℃內，測得激光器的特征溫度為40 K。同時，研究了改變注入電流和改變激光器的工作溫度條件下的器件激射波長的調諧特性。

1 材料生長和器件制作

InAs量子點結構采用氣態源分子束外延設備在GaAs（100）襯底上制備。選用n型GaAs襯底，在580 ℃下解氧吸附后，生長500 nm厚摻Si的GaAs緩沖層，使襯底表面變平。然后，生長20個周期2 nm摻Si的AlGaAs、2 nm厚度的GaAs超晶格結構（AlGaAs/GaAs）作為波導層，再生長1 500 nm厚的摻Si的AlGaAs覆蓋層。接著，降低襯底溫度，生長5層相同（2.5 ML）的InAs量子點作為有源區，每層以InGaAs（GaAs）間隔層隔離，然后在有源區上重復生長相同20個周期的AlGaAs/GaAs結構作為波導層，最后生長1 500 nm厚的摻Be的AlGaAs層和300 nm厚的摻Be的GaAs作為歐姆接觸層。

采用半導體器件制備工藝技術制作了上下電極結構的窄脊條端面發光的量子點激光器，直接以晶體材料的自然解理面作為諧振腔面，兩端解理面之間的波導層作為激光器的諧振區域，并通過金屬蒸發制作了GaAs的上下電極。測試用的激光器的脊條寬度W為3 μm，腔長L為3 mm；芯片用銦膏焊接在銅塊熱沉上；熱沉的溫度調節和芯片的電流注入都通過溫控電流源進行控制。激光器的激射光譜用帶有液氮制冷InSb探測器的Nicolet860傅里葉光譜儀進行收集。輸出功率用接有InGaAs探測器的光功率計進行測量。所有的測量都在連續波（CW）模式下進行。

2 結果與討論

2.1 光譜調諧特性

在連續波模式下，溫度為20 ℃，脊條寬度為3μm，腔長3 mm的激光器激射光譜，如圖1所示。閾值電流為91 mA，閾值電流密度為1 011.1 A/cm2,中心峰值波長位置約在1 325 nm處，為多模激射。

圖1 CW模式下，溫度為20 ℃，注入電流為91 mA時，激光器的激射光譜

量子點激光器的激射波長是由有源區量子點的能級決定的，而能級又與它的生長尺寸相關。尺寸的不均勻，會導致器件能夠激射的波長范圍很寬。

改變激光器的注入電流大小，實際上是改變器件內部載流子的填充效應。也就是說，隨著外加電流的持續注入，載流子濃度升高，基態強度飽和，使得載流子逐漸向更高能級填充，出現高能激發態激射。圖2為20 ℃時，InAs/GaAs量子點激光器光譜隨注入電流變化的變化情況。

圖2 20 ℃時，激光器光譜隨注入電流的變化

通過增大注入電流，電流變化范圍為100～300 mA，實現了器件光譜的電流調諧，調諧范圍為10～15 nm，平均調諧速度為0.5 nm/mA。激射譜開始展寬、藍移且光強度逐漸變大。

在溫度調諧過程中，利用填充介質的禁帶寬度與溫度的關系實現激射波長的調諧，調諧范圍與有源層內的介質種類有關。實驗中，在CW模式下，電流設定為200 mA。通過提高工作溫度，變化范圍為18～40 ℃，實現了器件光譜的溫度調諧，如圖3所示。

圖3 電流為200 mA時，激光器光譜隨溫度的變化

隨著工作溫度上升，器件激射光譜逐漸往長波方向移動，發生紅移現象，平均調諧速度為0.59 nm/℃，調諧范圍為15～20 nm。同時，激光器的損耗增加，量子效率降低，凈增益減小，激射譜光強度逐漸減弱。

2.2 功率輸出特性

在CW模式下，溫度為20 ℃，脊條寬度為3.0 μm，腔長為3.0 mm的InAs/GaAs激光器I-P、I-V曲線，如圖4所示。在閾值電流下，激光器輸出功率斜效率為115 mW/A，輸出功率達到30 mW。

為研究溫度變化對器件功率輸出性能的影響，測量了不同溫度（10～50 ℃）下的激光器的I-P曲線，如圖5所示。

圖5 器件在不同工作溫度下的I-P曲線

對不同溫度下的I-P曲線進行分析，可以得出：激光器的最高工作溫度為50 ℃；隨溫度升高，激光器的最大輸出功率降低，從36.6 mW下降到3.9 mW，同時器件斜效率減小，激光器性能迅速下降。這是因為溫度升高時填充介質損耗增加，而且載流子散射加劇，使得能夠轉化為光子的電子-空穴對的數目減少，基態強度變小，從而光增益抵消更多的損耗，凈增益變小，性能下降。

特征溫度T0反映的是激光器閾值電流密度的溫度穩定性，理論上T0→∞。但是，由實驗測得的特征溫度與理論值相比還有很大差距。閾值電流密度Jth與熱沉溫度T的變化滿足[13]：

其中，J0是溫度為0 K時的閾值電流密度，T0為器件的特征溫度。可以看出，激光器的閾值電流密度隨溫度的變化呈現指數關系，即隨溫度升高，閾值電流密度指數上升，使得器件性能下降。量子點激光器的閾值電流密度隨溫度的變化關系，如圖6所示。

利用式（1）和式（2）線性擬合出激光器的特征溫度T0為40 K，J0為0.4 A/cm2。可以說，特征溫度的高低能夠直接反映激光器中載流子受溫度散射的強弱。提高特征溫度,就要加強對載流子的限制。

圖6 CW模式下，器件閾值電流密度隨溫度的變化

2.3 電壓輸出特性

量子點激光器的電壓輸出性能與激光器工作溫度密切相關。因為溫度的變化會使有源層內載流子濃度、遷移率以及填充介質的導電性發生變化。為探究溫度變化對激光器電壓輸出性能的影響，測量了不同溫度（10～50 ℃）下激光器的I-V曲線，如圖7所示。

圖7 器件在不同工作溫度下的I-V曲線

隨溫度的升高，曲線往左移動，激光器的開啟電壓和微分電阻減小。因為溫度變化會引起填充介質中晶格振動散射和部分電離雜質的散射，使得載流子的遷移率減小，降低填充介質的導電性。而溫度升高又會使介質的帶隙寬度變小，勢壘降低，相同情況下就會有更多的載流子穿越過低勢壘，又使其導電性能大大提升。PN結勢壘的降低，最終導致開啟電壓和微分電阻的減小。

為進一步研究溫度對I-V特性的影響，對激光器的電壓溫度系數進行了實驗計算和擬合。由于溫度與正向電壓存在線性關系[14]，在不同的固定電流下，測試并記錄了不同溫度下激光器正向電壓的變化值，如圖8所示。

圖8 不同固定電流下的電壓值隨溫度的變化

對不同溫度下的電壓值進行線性擬合，得到了固定電流下的激光器的電壓溫度系數隨固定電流的增加（每隔60 mA），從-3.22 mV/K逐漸減小到-3.86 mV/K，說明隨著固定電流的增加，器件電壓降的趨勢更加明顯。此外，可以擬合得出固定電流的自然對數值lnI和電壓溫度系數也滿足線性關系，如圖9所示。

圖9 電壓溫度系數與ln I的線性關系

3 結 語

采用氣態源分子束外延設備在GaAs襯底上研制出激射波長為1.3 μm波段的InAs/GaAs量子點激光器，在CW模式下，研究了激光器的光譜性能和輸出性能，其中激光器的閾值電流為91 mA，相應的閾值電流密度為1 011.1 A/cm2，激光輸出功率斜效率為115 mW/A，最高輸出功率達到30 mW。在溫度范圍（10～50 ℃）內，測得激光器的特征溫度為40 K。另外，研究了在改變注入電流和改變激光器的工作溫度條件下器件激射波長的調諧特性。依據本文測試結果的反饋，為以后成功研制單片集成1.3 μm波段Si基量子點激光器奠定了基礎。

[1] Jia G Z,Yao J H,Shu Y C,et al.Optical Properties and Structure of InAs Quantum Dots in Near-infrared Band[J].Chin. J. Lumin.,2007,28(01):104-108.

[2] 許海鑫,王海龍,嚴進一等.InAs/GaAs量子點激光器的增益和線寬展寬因子[J].發光學報,2015,36(05):567-571.XU Hai-xin，WANG Hai-long，YAN Jin-yi，et al.Gain and Linewidth Enhancement Factor of InAs/GaAs Quantum-dot Laser Diodes[J].Chin. J.Lumin.,2015,36(05):567-571.

[3] Li S G,Gong Q,Cao C F,Wang X Z,et al.Measurements of I-V Characteristics in InAs/InP Quantum Dot Laser Diode[J].Journal of Modern Optics,2012,59(19):1695-1699.

[4] 楊文華,王海龍,王兆翔等.基于QD-SOA波長轉換特性的轉換效率研究[J].光學學報,2017,37(04):16.YANG Wen-hua,WANG Hai-long,WANG Zhaoxiang,et al.Wavelength Conversion Efficiency of Quantum Dot Semiconductor Optical Amplifier[J].Acta Optica Sinica,2017,37(04):16.

[5] 王兆翔,王海龍,楊文華等.基于QD-SOA-MZI結構的全光邏輯的性能優化[J].通信技術,2016,49(06):782-787.WANG Zhao-xiang,WANG Hai-long,YANG Wenhua,et al.All-optical Logic Performance Optimization Based on QD-SOA-MZI Structure[J].Communications Technology,2016,49(06):782-787.

[6] 高金金,嚴進一,柳慶博等.大范圍連續調諧的InAs/InP(100)外腔量子點激光器[J].光電子 · 激光,2016,27(09):903-907.GAO Jin-jin,YAN Jin-yi,LIU Qing-bo,et al.Widely Tunable External Cavity InAs/InP Quantum Dot Lasers in Mode-hop Free Condition[J].Journal of Optoeletronics·Laser,2016,27(09):903-907.

[7] 趙旺鵬,王海龍,龔謙等.可調諧雙波長半導體外腔激光器性能研究[J].光電子· 激光,2016,27(07):716-721.ZHAO Wang-peng,WANG Hai-long,GONG Qian,et al.A Stable Dual-mode Tunable Semiconductor Laser Based on External Cavity Feedback[J].Journal of Optoeletronics·Laser,2016,27(07):716-721.

[8] YUE Li,GONG Qian,YAN Jin-yi,et al.High Intensity Single-Mode Peak Observed in the Lasering Spectrum of InAs/GaAs Quantum Dot Laser[J].Chin. Phys.Lett.,2012,30(02):024209.

[9] Liu H Y,Wang T,Jiang Q,et al.Long-wavelength InAs/GaAs Quantum-dot Laser Diode Monolithically Grown on Ge Substrate[J].Nature Photonics,2011(05):416-419.

[10] Li S G,GONG Q,Lao Y F,et al.Room Temperature Continuous Wave Operation of InAs/InP (100) Quantum Dot Lasers Grown by Gas-source Molecular-beam Epitaxy[J].Appl. Phys. Lett.,2008,93(11):2564.

[11] YANG H D,GONG Q,Li S G,et al.InAs/GaAs Quantum Dot Lasers Grown by Gas-source Molecular-beam Epitaxy[J].Journal of Crystal Growth,2010,312(23):3451-3454.

[12] 龔謙,曹春芳,嚴進一等.室溫連續工作Ge基InAs量子點激光器[C].第十二屆全國硅基光電子材料及器件研討會,2017.GONG Qian,CAO Chun-fang,YAN Jin-yi,et al.Roomtemperature Continuous Operation of Ge-based InAs Quantum Dot Lasers[C].The 12th National Conference on Silicon Based Optoelectronic Materials and Devices,2017.

[13] YUE Li,GONG Qian,CAO Chun-fang,et al.Highperformance InAs/GaAs Quantum Dot Laser with Dot Lasers Grown at 425?[J].Chinese Optics Letters.,2013,11(06):39-42.

[14] Ma C H,Wang H L,Zhou Y,et al.The I-V Characteristics of InAs/GaAs QD Laser[J].Physica B (Amsterdam,Ne th.),2011(406):3636-3639.