1.3μm波段InAs/GaAs量子点激光器性能研究

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1.3 μm波段由5层量子点组成的3 mm腔长、3 μm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91 mA，相应的阈值电流密度为1 011.1 A/cm2，激光输出功率斜效率为115 mW/A，最高输出功率达到30 mW。在温度范围10～50 ℃内，测得激光器的特征温度为40 K。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/GaAs QDL可以工作在1.3 μm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1.3 μm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1.3 μm波段的GaAs基InAs量子点激光器。其中，器件腔长为3 mm，脊条宽度为3 μm，测试得到激光器的阈值电流为91 mA，相应的阈值电流密度为1 011.1 A/cm2，激光输出功率斜效率为115 mW/A，最高输出功率达到30 mW。在温度范围10～50 ℃内，测得激光器的特征温度为40 K。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500 nm厚掺Si的GaAs缓冲层，使衬底表面变平。然后，生长20个周期2 nm掺Si的AlGaAs、2 nm厚度的GaAs超晶格结构（AlGaAs/GaAs）作为波导层，再生长1 500 nm厚的掺Si的AlGaAs覆盖层。接着，降低衬底温度，生长5层相同（2.5 ML）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1 500 nm厚的掺Be的AlGaAs层和300 nm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3 μm，腔长 为3 mm；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3 mm的激光器激射光谱，如图1所示。阈值电流为91 mA，阈值电流密度为1 011.1 A/cm2,中心峰值波长位置约在1 325 nm处，为多模激射。