帶間級聯(lián)激光器電子注入?yún)^(qū)優(yōu)化研究（特邀）

寧超，孫瑞軒，于天，劉舒曼，張錦川，卓寧，王利軍，劉俊岐，翟慎強(qiáng)，李遠(yuǎn)，劉峰奇，3

（1 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

（2 中國科學(xué)院大學(xué)材料與光電研究中心，北京100049）

（3 北京量子信息科學(xué)研究院，北京100193）

0 引言

帶間級聯(lián)激光器（Interband Cascade Lasers，ICLs）得益于其極低的閾值電流和體積小等優(yōu)點(diǎn)，在痕量氣體檢測［1-4］、中波紅外光頻梳［5-7］和自由空間光通信［8］領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。自楊瑞青教授在1994年首次提出帶間級聯(lián)的概念后［9］，人們不斷地對有源區(qū)結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行改善。1996年，美國的MEYER J R 等將GaSb/AlSb 量子阱（Quantum Wells，QWs）構(gòu)成的空穴注入?yún)^(qū)引入ICL 有源區(qū)設(shè)計(jì)中［10］，以阻止電子從光學(xué)增益區(qū)直接隧穿到電子注入?yún)^(qū)。隨后，為了提高躍遷矩陣元并抑制俄歇復(fù)合效應(yīng)，他們采用了應(yīng)變W型二類量子阱結(jié)構(gòu)［11，12］作為光增益區(qū)。隨著材料的外延質(zhì)量和工藝水平的提升，ICL 性能穩(wěn)步提高［12-15］。2008～2011年間，美國海軍實(shí)驗(yàn)室成功實(shí)現(xiàn)了ICL 的室溫連續(xù)波工作（Continues Wave，CW）［16］，并提出載流子再平衡設(shè)計(jì)［15］，進(jìn)一步降低了器件閾值電流。他們指出在早期的有源區(qū)設(shè)計(jì)中，由于在光增益區(qū)中空穴數(shù)量是電子數(shù)量的5 倍，因此PPN 型俄歇復(fù)合過程占主導(dǎo)。在載流子再平衡設(shè)計(jì)中，有源區(qū)中電子注入?yún)^(qū)的摻雜濃度提高到5.0 × 1018cm-3，理論計(jì)算表明高摻雜后光增益區(qū)中電子和空穴數(shù)量近似相等，制備出的器件的閾值電流密度比早期器件降低了一半。但是在激光器有源區(qū)中重?fù)诫s會造成嚴(yán)重的自由載流子吸收，因而會增加光學(xué)損耗。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型的有源區(qū)結(jié)構(gòu)，首先降低有源區(qū)中n 型摻雜的濃度，以降低光損耗，同時，通過減小電子注入?yún)^(qū)中量子阱的厚度來提高電子注入效率，達(dá)到光增益區(qū)中注入電子和空穴數(shù)量平衡的要求。……