低溫下GaSb 基量子阱激光器的光電特性研究*

李金友，王海龍＊，楊 錦，曹春芳，趙旭熠，龔 謙

（1.曲阜師范大學物理工程學院，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

半導體激光器具有光譜純度高、波長覆蓋范圍廣、結構緊湊、效率高、成本低、可靠性好、使用方便和易于集成等優點，已被廣泛應用于光通信、雷達、光檢測、測距、雙波長干涉和光學數據存儲等系統中[1-6]。近年來，激射波長在中紅外范圍的室溫工作GaSb 基量子阱激光器受到了人們的廣泛關注[7-8]。在2013 年，徐云等人[9]成功研制出了激射波長在2 μm 波段，閾值電流密度為144A/cm2，內部損耗為11 cm-1，斜效率為0.2W/A，內量子效率為27.1%，輸出最大功率為357mW 的室溫工作GaSb 基量子阱激光器。但其在低溫下的性能卻很少有人去進行深入的探究。在低溫下，激光器的某些性能會存在一定的改變[10-13]。因此，研究GaSb基量子阱激光器的低溫性能，對深入解析激光器的內在機理有著重要的意義。

本文研究了GaSb 基量子阱激光器在低溫下（最低到15K）的電學特性，光譜以及功耗性能。

1 實 驗

GaSb基量子阱激光器的材料是采用DCA P600/450固態源分子束外延設備在GaSb（001）襯底上外延生長的。襯底選用的是n 型的GaSb（001）襯底，先對襯底進行高溫脫氧。再降低溫度，生長一層厚度為500 nm 的n 型GaSb 材料，作為緩沖層；然后再生長35 個周期的GaSb/AlSb，作為過渡層。接下來依次為1.5 μm 的AlGaAsSb 限制層、450 nm 的AlGaAsSb 下波導層、兩個 InGaAsSb 量子阱、兩個InGaAsSb 阱之間用厚度為20 nm 的AlGaAsSb 作為壘層進行隔離、1.5 μm 的AlGaAsSb 上限制層、35 個周期的GaSb/AlSb 過渡層、500 nm 的摻Be 的p 型GaSb 上接觸層。詳細的外延生長條件文獻[14]已有報道。其結構示意圖如圖1 所示。

圖1 GaSb 基量子阱激光器材料結構

在材料生長完成后利用FP 腔激光器的制備工藝進行激光器的制備。制備了腔長為2.0 mm 的激光器，脊條寬度分別為8 μm 和10 μm，激光器為雙面出光，未進行鍍膜處理。其基本流程包括：外延片清洗、脊波導的光刻與刻蝕、鈍化膜的生長、窗口的制備、電極的制備、芯片解理以及最后的封裝測試。

2 結果與討論

2.1 低溫下GaSb 基量子阱激光器的電學特性研究

測試所用的GaSb 基量子阱激光器的腔長為2.0 mm，脊條寬度分別為8 μm 和10μm。圖2 是在15K 下兩個激光器的電流電壓特性。從圖2 可以看出，脊條寬度分別為8 和10 μm 的器件，其微分電阻dV/dI 分別是10.84 和8.61Ω。在15K 下GaSb基量子阱激光器，隨著脊條寬度的增加，器件的微分電阻減小。

圖2 不同脊條寬度的微分電阻和I-V 曲線

半導體材料中，溫度變化對材料的性能有很大的影響，例如材料的電導率、電阻率、載流子的遷移率以及載流子的濃度等[15]。激光器的導電性與p-n結耗盡區勢壘高度、載流子的濃度有極強的關聯性。圖3 給出了低溫下溫度變化對器件的I-V 特性以及微分電阻的影響。

從圖3 中可得出，隨工作溫度的升高激光器的開啟電壓和微分電阻都在下降。對微分電阻的阻值計算，應該選取I-V 曲線趨于穩定時的切線斜率，當電流為40 mA 附近時I-V 曲線已經變得很平滑，故電流與電壓的變化比值的平均值與微分電阻的阻值極其相近，故選取此電流附近的電流與電壓的變化比值的平均值來作為激光器微分電阻值，具體計算數值如表1 所示。隨著器件工作溫度的升高，雖然在半導體材料中由于雜質和晶格加強了載流子的散射，且降低了半導體材料的電導率，但是溫度的升高也同時降低了材料的帶隙[16]。在半導體激光器中，勢壘的降低會使載流子更加容易的穿過勢壘，導致了器件的電導率隨著溫度的升高而變大，降低了激光器的微分電阻，所以激光器微分電阻值的下降主要是由于p-n 結勢壘的降低而引起的。

圖3 激光器的I-V 隨溫度變化

表1 不同溫度下激光器的微分電阻值的變化

從15-65 K 脊條寬度為8 μm 的激光器微分電阻從15.01 Ω 降到了9.01 Ω，變化幅度為0.10 Ω/K。脊條寬度為10 μm 的激光器微分電阻從14.44Ω 降到了8.91 Ω，變化幅度為0.09 Ω/K。這表明GaSb基量子阱激光器在低溫下依然遵循著室溫下半導體激光器的參數變化規律，且性能有所改善。

2.2 低溫下GaSb 基量子阱激光器的功耗研究

測試所用的GaSb 基量子阱激光器的腔長為2.0 mm，脊條寬度分別為8 μm 和10 μm。分別對這兩個激光器進行同環境測試。下圖4 和5 分別為兩個GaSb 基量子阱激光器在15 K 下的I-V，I-P 曲線。由圖4 和5 可知，在15 K 下腔長為2.00 mm 的GaSb 基量子阱激光器，條寬為8 μm 時，閾值電流Ith=12 mA，此時電壓為3.46 V，功耗為41.52 mW；條寬為10 μm 時，閾值電流Ith=6 mA，此時電壓為2.60 V，功耗為15.60 mW。相較于室溫，在低溫下器件的閾值電流和功耗都有所下降。條寬為10 μm的激光器比8 μm 的激光器在功耗上下降了很多。表明在相同的外界條件下激光器的條寬越寬器件的功耗越低。但條寬為10 μm 的器件的光功率曲線比較彎曲，表明器件的穩定性較差。

圖4 15K 下條寬為8μm 的激光器I-V，I-P 曲線

圖5 15K 下條寬為10 μm 的激光器I-V，I-P 曲線

2.3 電流與溫度對光譜的影響

由圖6 可以看出GaSb 基量子阱激光器的中心波長隨著注入電流的增大在逐漸向長波長方向移動。這是由于電流的增加有源區溫度升高，進而激光器的禁帶寬度變小，故光譜出現紅移的現象。圖6 中插圖表示激光器中心波長隨電流增加時的移動曲線，此時激光器的光譜移動表現出分段特性。在8-10 mA 內的光譜漂移為0.39 nm/mA，在10-20 mA內為0.02 nm/mA。

圖6 GaSb 基量子阱激光器的光譜紅移現象

圖7 是GaSb 基量子阱激光器在10 mA 注入電流下的光譜隨著注入溫度的增加發生紅移的測試結果。由圖可以看出隨著外加溫度在15-65 K 變化，激光器的激射波長逐漸增加，變化范圍為1803.9-1819.6 nm。從圖7 中的插圖可以看到在15-65 K 范圍內激光器的波長增加逐漸趨于線性，通過直線擬合，得到激光器的光譜紅移速度為0.316 nm/K。

圖7 溫度對GaSb 基量子阱激光器光譜的影響

3 結語

本文主要研究了GaSb 基量子阱激光器的光電特性和功耗。激光器的條寬為8 μm 時，功耗為41.52 mW；激光器的條寬為10 μm 時，功耗為15.60 mW。激光器的中心波長隨著注入電流的增大逐漸向長波長方向移動，在8-10 mA 內的光譜漂移為0.39 nm/mA，在10-20 mA 內為0.02 nm/mA。在15-65 K 內，激光器的波長逐漸增加，變化范圍是1803.9-1819.6 nm，光譜紅移速度為0.316 nm/K。這些參數的測量對GaSb 基激光器進一步應用具有重要意義。