量子点激光器及其应用研究

引言

早在80年代初，理论预言：量子点激光器的性能与量子阶激光器或量于线激光器相比，具有更低的阂值电流密度，更高的特征温度和更高的增益等优越特性[1,2]。这主要由于在量子点材料(又称零维材料)中，载流子在三个运动方向上受到限制，载流于态密度与能量关系为6函数，因而具有许多独特的物理性质，如量子效应、量子隧穿、非线性光学等，极大地改善了材料的性能。因此，不但在基础物理研究方面意义重大，而且在新型量子器件等方面显示出广阔的应用前景。目前，零维材料结构及其应用为国际上最前沿的研究领域之一，仍处于探索阶段。90年代初，利用MBE和MOCVD技术，通过Stranski—Krastanow(S—K)模式生长In(Ga)As/GaAs自组装量子点等零维半导体材料有了突破性的进展，生长出品格较完整，尺寸较均匀，且密度和发射率较高的InAs量子点，并于1994年制备出近红外波段InGaAs/GaAs量子点激光器[3]。目前国际上已有一些实验室制备了In(Gs)As/GnAs量子点激光器[4-10]。本文报道我们在原有的基础上[4]优化结构设计和生长工艺，制备出低阂值电流密度和大功率量子点激光器，并用光致发光(PL)、电致发光(EL)、原子力显微镜(AFM)和高分辨率透射电镜(TEM)等对InAs/GaAs量子点垂直耦合结构材料进行研究。

1 实验

我们采用Riber32P型MBE系统在N+GaAs〔001)晶向的衬底上生长结构渐变折射率波导分别限制的量子点激光器材料。生长前先在高温下去除N+衬底氧化层，再生长0.5μm厚的掺SiN+GaAs缓冲层，掺杂浓度n=2×1018cm^{-3，中间夹着20个周期GaA3/AlGaAs超品格，用以改善外延层平整度和阻挡杂质向外延方向扩散，然后生长lμm厚N+AlGaAs下限制层(n=1018cm^{-3，Al组分x=0.5)和分别限制渐变x值AlGaAs波导层(x值从0.5至0)，厚度为0.4μm，中间夹着有源区为三组(InAs)2(GaAs)18量子点垂直稠合结构，即每组包括InAs量子点和GaAs隔离层，InAs层厚为2原子层(ML)，GaAs层厚为18ML。最后生长P+AlGaAs上限制层和0.3μm厚P+GaAs顶层(p=5×1019cm^{-2)作欧姆接触层。在生长InAs过程中，当InAs厚度超过1.6单原子层(ML)时，从原位监测的高能电子衍射仪(RHEED)的衍射图形观察到从条状开始变成点状，这表明生长过程从二维状态过渡到二维状态，即InAs点开始形成。生长速率对GaAs为0.7μm/h，对InAs为0.2μm/h；衬底温度对GaAs为600℃，AIGaAs为700℃，InAs为480℃。}}}

2 结果和讨论

图1为用透射电镜观察的有源区量子点垂直耦台结构的横截面图像，有源区为三组(1nAs)2(GaAs)18组成，即每组包括InAs量子点和GaAs隔离层，InAs层厚为2ML，GaAs层厚为18ML。图2为按相同条件生长2.0MlInAs量子点，表面无复盖层的原子力显微镜图像(600×600nm^{2)。图3为量子点尺寸分布统计图，可以看出，InAs量子点大小较为均匀，横向尺寸约为15-20nm，高度约为3nm，密度为7.6×1010/cm^2。}

将QD-LD材料的样品做成条宽为100μm，腔长为800μm的宽接触激光器，室温下实现连续激射。图4为垂直耦合自组装InAs/GaAs量子点激光器的光输出功率和电流关系图。最大光输出功率大于1W，斜率为0.68W/A，阈值电流密度仅为218A/cm^{2，在77K测量，阈值电流密度为49A/cm^{2，其性能与量子阱激光器可比拟。图5为在不同电流强度(I＝0.91Ith，1.0Ith，1.05Ith，)下的电致发光(EL)光谱和光激射谱图，激射波长为960nm。图6为QD—LD在0.54W工作下量子点激光器输出功率随时间变化曲线，老化试验为3000小时，功率仅下降0.49db。按功率下降2db推算，寿命可超过1万小时。在此基础上，还制备了实用化的大功率量子点激光器激光耦合模块，室温连续激射功率超过10W，未见文献有关报道。}}

3 结论

我们成功地研制出低阂值电流密度和大功率量子点激光器，当腔长为800μm，连续激射闭值电流密度在300K和77K下分别为218A/cm^{2和49A/cm^{-2，波长为960nm，光输出功率大于lW，斜率为0.68W/A。在0.54W工作下，寿命超过3000小时，功率仅下降0.49db。按2db推算，寿命可超过l万小时。并制备出实用化的大功率量子点激光器激光辊合模块，室温连续激射功率超过10W。通过分析我们认为，要进一步降低阂值电流密度，关键在于提高InAs量子点尺寸的均匀性，增加量子点的密度和提高材料质量。}}

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