有源区Be掺杂对1.3μm InAs量子点激光器性能的影响.pdf

第 42 卷第 4 期2023 年 8 月红 外 与 毫 米 波 学 报J.Infrared Millim.WavesVol.42，No.4August，2023有源区Be掺杂对1.3 m InAs量子点激光器性能的影响杜安天1，2，曹春芳2，韩实现2，3，王海龙1*，龚谦2，3*（1.曲阜师范大学物理工程学院 山东省激光偏光与信息技术重点实验室，山东 曲阜 273165；2.中国科学院上海微系统与信息技术研究所 中科院太赫兹固态技术重点实验室，上海200050；3.中国科学院大学 材料科学与光电子工程中心，北京100049）摘要：利用分子束外延技术在GaAs（100）衬底上生长了1.3 m InAs DWELL量子点激光器结构，研究了有源区Be掺杂对量子点激光器性能的影响。研究表明，对有源区进行Be掺杂可以有效降低InAs量子点激光器的阈值电流密度，提升激光器的输出功率，增加激光器的温度稳定性。研制的Be掺杂InAs量子点激光器的阈值电流降低到12 mA，相应的阈值电流密度仅为100 A/cm2，激光器的最高输出功率达到183 mW，最高工作温度达到了130。这对InAs量子点激光器器件在光通信系统中的应用具有重要意义。关键词：量子点激光器；分子束外延；阈值电流密度；输出功率；特征温度中图分类号：O43 文献标识码：AEffect of Be doping in active regions on the performance of 1.3 m InAs quantum dot lasersDU An-Tian1，2，CAO Chun-Fang2，HAN Shi-Xian2，3，WANG Hai-Long1*，GONG Qian2，3*（1.School of Physics and Physical Engineering，Shandong Provincial Key Laboratory of Laser Polarization and Information Technology，Qufu Normal University，Qufu 273165，China；2.Key Laboratory of Terahertz Solid State Technology，Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200050，China；3.Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）Abstract：InAs DWELL quantum dot lasers were grown on GaAs（100）substrate by molecular beam epitaxy technology.The effect of Be doping in active regions on the performance of InAs quantum dot lasers has been studied.The results show that Be-doped in the active region could effectively reduce the threshold current density，improve the output power，and increase the temperature stability of the InAs quantum dot laser.The threshold current of Be-doped InAs quantum dot laser was reduced to 12 mA，and the corresponding threshold current density was 100 A/cm2.The highest output power of the laser was 183 mW，and the highest operating temperature reached 130.This is of great significance for the application of InAs quantum dot laser device in the optical communication system.Key words：quantum-dot laser，molecular beam epitaxy，threshold current density，output power，characteristic temperature引言自组织量子点具有与原子近似的分立能级和类函数的态密度，表现出独特的光学和电学特性，近年来受到人们的广泛关注1-3。量子点激光器具有低阈值电流密度、高特征温度、高增益分布、大调制带宽和长寿命等优点，展现出比量子阱激光器更加优越的性能4-10。与量子阱相比，量子点对位错文章编号：1001-9014（2023）04-0450-07DOI：10.11972/j.issn.1001-9014.2023.04.004收稿日期：2022 12 22，修回日期：2023 06 07 Received date：2022 12 22，revised date：2023 06 07基金项目：国家自然科学基金（61674096）Foundation items：Supported by National Natural Science Foundation of China（61674096）作者简介（Biography）：杜安天（1993-），男，山东滨州人，博士研究生，主要从事半导体激光器材料及器件研究。E-mail：*通讯作者（Corresponding authors）：Email：；4 期杜安天 等：有源区Be掺杂对1.3 m InAs量子点激光器性能的影响的敏感度也大大降低。位错在穿透量子阱或块状材料时，容易产生大量的非辐射复合中心。然而，对于量子点而言，穿透位错只能破坏几个量子点而不影响其他量子点，因此基于量子点器件的性能不会显著降低11-13。InAs/GaAs量子点激光器是目前研究最为广泛的半导体量子点发光器件之一，它可以实现不含磷化物、氮化物和锑化物的1.3 m重要光纤通信窗口的激射，在光通讯应用中具有很大潜力。InAs和GaAs两种单晶的晶格失配为7.2%，因此在GaAs上生长InAs易于实现 Stranski-Krastanov（SK）生长模式14，并且InAs量子点材料与GaAs材料体系的兼容性好。自1994年第一个基于应变自组装生长模式的 InAs/GaAs量子点激光器研制成功以来15，在器件性能和工作波长范围的研究都取得了长足的进步。近年来，InAs量子点在单光子领域的应用也取得了重要进展16。利用分子束外延（MBE）技术在GaAs上直接生长 InAs 量子点很难把量子点发光波长拓展至 1.3 m17。有源区采用InAs DWELL（dot-in-well）结构减小了量子点周围的势垒和应力分布，可以将InAs量子点的发光波长拓展至1.3 m。InAs量子点激光器的性能受到很多方面的影响，因此对生长条件的优化是很重要的一环。目前对不同的生长温度、量子点厚度、有源区层数、In生长速率等已经有了很多的研究18-20，但是对有源区掺杂的研究还较少。有源区掺杂对激光器性能有很大影响，对其进行细致研究很有必要。本文利用分子束外延技术在GaAs衬底上生长了不同的InAs DWELL量子点激光器结构。研究有源区Be掺杂对激光器性能的影响，结果表明对有源区进行Be掺杂可以有效降低InAs量子点激光器的阈值电流密度，提升激光器的输出功率，增加激光器的温度稳定性。1实验使用DCA固态源III-V分子束外延系统在4英寸 n+GaAs（100）衬底上生长了 InAs 量子点激光器结构，激光器结构示意图如图1所示。先在GaAs衬底生长 1 m 厚度的 N 型 GaAs缓冲层，继续生长 1 m厚度的AlGaAs 势垒层。然后以6个周期的AlGaAs/GaAs 超晶格层作为过渡，其中 AlGaAs 和GaAs 的厚度均为 2 nm。随后生长 70 nm 厚度的GaAs 波 导 层，GaAs 和 AlGaAs 的 生 长 温 度 均 为730 （热偶温度读数）。GaAs基InAs量子点激光器结构为分离限制层异质结构，有源区采用 5 层InAs DWELL 结 构。从 下 至 上 包 括 2 nm 的In0.15Ga0.85As 应 变 缓 冲 层（Strained Buffer Layer，SBL），2.7 ML 的 InAs 量子点，6 nm 的 In0.15Ga0.85As 应变释放层（Strained-Reducing Layer，SRL），其中In 的生长速率为 0.1 ML/s，Ga 的生长速率为 0.57 ML/s，含In层的生长温度均为620。在多层InAs DWELL结构中，用 GaAs 作为空间隔离层，厚度为50 nm，生长温度为730。本文通过在隔离层中引入Be作为掺杂剂，生长了两种不同的InAs量子点激光器并对其性能进行了测试分析与比较。其中，Be的掺杂温度为740，掺杂浓度为7.71016 cm-3。GaAs基InAs量子点激光器的工艺采用标准的光刻和刻蚀工艺。刻蚀至有源区上层的GaAs波导层制作脊条，然后沉积200 nm的SiNx。继续在脊条上的上电极 GaAs接触层用反应离子刻蚀（RIE）去掉SiNx开好窗口，沉积Ti/Pt/Au形成P型欧姆接触，然后将 GaAs衬底减薄至 150 m，沉积 GeAu/Ni/Au后退火形成N型欧姆结接触。图2给出了典型的脊条宽度为 3 m 的量子点激光器的截面扫描电镜（SEM）图。对激光器的性能进行测试时，使用集成了温控的Thorlabs ITC4020电流源对激光器进行温度控制和电流调节，光谱测试采用 Thermo Nicolet iS50傅里叶光谱仪，利用 Thorlabs S145C InGaAs探图1GaAs基InAs量子点激光器结构示意图Fig.1The schematic diagram of GaAs based InAs quantum dot laser structure45142 卷 红 外 与 毫 米 波 学 报测器进行激光器功率测试，使用Veeco公司的Multimode Nanoscope III SPM 设备测量了量子点样品的表面形貌。2结果与讨论GaAs基未掺杂和Be掺杂InAs量子点激光器材料的光致荧光谱（PL）测试结果如图3所示。未掺杂与Be掺杂量子点激光器材料的PL光谱的半峰宽分别为50.25 nm和46.71 nm。与未掺杂量子点相比，Be掺杂InAs量子点的PL强度明显增强，半峰宽也更窄，这与后续器件的性能测试结果一致。为了检验生长的量子点结构的质量，我们在生长量子点激光器材料时生长了InAs量子点结构测试片，测试片在生长 InAs DWELL结构后，在表面沉积了一层InAs 量子点用于原子力显微镜（AFM）的测试。有源区Be掺杂对表面的量子点影响不大，量子点形貌与大小没有明显区别，图3的插图给出了掺杂样品表面生长 22 m2 InAs 量子点的 AFM 图像。从图中可以看出，InAs 量子点排列紧密，边界清晰，量子点密度达到41010 cm-2，表明成功地生长了质量高的量子点结构。典型GaAs基未掺杂和Be掺杂InAs量子点激光器的IVP曲线如图4所示。当温度为20 时，未掺杂和Be掺杂激光器的阈值电流密度分别为116 A/cm2和100 A/cm2，这表明Be掺杂可以降低激光器的阈值电流密度。这是由于隔离层Be掺杂产生的耗尽区势垒发生变化，可以提高空穴的空间限制，有效地将载流子限制在有源区之中，从而降低激光器激射所需要的阈值电流。随着温度的升高，激光器的斜效率逐渐减小。当温度大于100 时，激光器的性能迅速下降。这是因为随着温度升高，会增加填充介质的损耗，而且载流子散射加剧，使得能够转化为光子的电子-空穴对的数目减少，基态强度变小，光的损耗抵消了更多的增益，使得净增益变小，导致激光器的性能下降。注入电流增加至500 mA时，Be掺杂InAs量子点激光器的输出功率能够到达75 mW，比未掺杂InAs量子点激光器的输出功率高了14 mW。图2GaAs基InAs量子点激光器截面SEM图Fig.2 Cross section SEM of InAs quantum dot laser on GaAs图3GaAs基未掺杂和Be掺杂InAs量子点激光器的PL光谱，插图：InAs量子点22 m2 AFM图像Fig.3The PL spectra of GaAs-based undoped and Be-doped InAs quantum dot lasers，Inset：a 22 m2 AFM image of InAs quantum dots图4连续工作模式下GaAs基InAs量子点激光器的IVP特性曲线：（a）未掺杂，（b）Be掺杂Fig.4 The IVP characteristic curves of GaAs-based InAs quantum dot laser in CW mode：（a）undoped，（b）Be-doped4524 期杜安天 等：有源区Be掺杂对1.3 m InAs量子点激光器性能的影响对腔长为 4 mm，脊条宽度分别为 10 m 和 50 m的两种不同的激光器进行了最大输出功率的测试，测试结果如图5所示。脊条宽度为10 m时，未掺杂和 Be 掺杂激光器的最大输出功率分别为 75 mW和146 mW。脊条宽度为50 m时，未掺杂和Be掺杂激光器的最大输出功率分别为102 mW和183 mW。由于Be掺杂能够促进空穴的扩散，为InAs量子点激光器带来了更高的基态模式增益。另外，在Be掺杂后多层量子点有源区的增益分布更加一致，提高了总的增益，从而使整体的光电转换效率得到提升，因此增大了激光器的输出功率21。同时，Be的掺入会使导电性增强，降低激光器的电压，提升斜效率。Be掺杂InAs量子点激光器的工作温度可以高达130，大大提高了量子点激光器的工作温度，这是由于Be的掺入可以抑制空穴在其紧密间隔的能级上的热增宽22。InAs 量子点激光器具有良好的温度稳定性，在温度 20 下激光器发射光谱随注入电流的变化如图 6 所示。对于未掺杂的激光器，注入电流为 50 mA 和 400 mA 时，激发波长分别为 1 290.7 nm 和 1 298.1 nm，波长随注入电流变化的红移速度为 0.021 nm/mA。对于 Be 掺杂的 InAs 激光器，当注入电流为 50 mA 和 500 mA 时，激发波长分别为 1 280.0 nm 和 1 288.2 nm，波长随注入电流变化的红移速度为0.018 nm/mA。这表明随着注入电流图5连续工作模式下不同条宽GaAs基InAs量子点激光器的IP特性曲线：（a）10 m，（b）50 mFig.5The IP characteristic curves of GaAs-based InAs quantum dot laser with different ridge widths in CW mode：（a）10 m，（b）50 m图620 时GaAs基InAs量子点激光器发射光谱随注入电流的变化：（a）未掺杂，（b）Be掺杂Fig.6The emission spectra of GaAs-based InAs QD laser with different injection currents at the temperature of 20：（a）undoped，（b）Be-doped45342 卷 红 外 与 毫 米 波 学 报的增加，Be掺杂对激发波长的影响并不大，电流注入带来的发热效应不明显。在注入电流为350 mA时量子点激光器的发射光谱随温度的变化如图7所示。对于未掺杂的InAs激光器，温度为20 和100 时，激发波长分别为1 295.1 nm和1 336.8 nm，波长随温度变化的红移速度为 0.521 nm/K。对于 Be 掺杂的 InAs 激光器，温度为 20 和 100 时，激发波长分别为 1 285.6 nm 和 1 324.1 nm，波长随温度变化的红移速度为0.481 nm/K。Be掺杂的量子点激光器的发光光谱表现出较低的温度依赖性，这表明Be掺杂会降低温度升高对波长红移的影响，Be掺杂InAs量子点激光器具有更好的温度稳定性，这在随后的特征温度的对比中也得到了印证。这主要是由于在距离较近的空穴能级中，Be的掺入改善了高温对空穴的热破坏，显著抑制了量子点和它们周围的势垒之间的相互扩散。在Be掺杂的材料中，Ga空位的浓度较低，导致In与Ga之间的互扩散减少23。激光器的温度稳定性是衡量激光器性能的重要指标之一。半导体激光器的阈值电流与温度成指数关系24：Jth=J0exp(TT0),（1）式（1）中，T0为激光器的特征温度，其数值越大表明激光器阈值电流随着温度的变化就越小。实验测量的量子点激光器阈值电流能密度随温度的变化曲线如图 8 所示，通过拟合得到未掺杂和 Be 掺杂InAs 量子点激光器的特征温度分别为 47.6 K 和53.8 K。与未掺杂的量子点激光器相比，Be掺杂的激光器的特征温度有所提高，这表明Be的掺入可以提高InAs量子点激光器的温度稳定性。InAs量子点自身价带空穴能级间隔（10 meV）小于室温热激发能级（25 meV），随着温度的升高，空穴将从基态不断向更高能级的激发态跃迁，进而降低载流子辐射复合几率，导致激光器的增益随着温度的升高而明显减小25。在量子点附近的势垒层中进行p型掺杂，能给量子点价带能级提供额外的空穴，会有效图7注入电流350 mA时GaAs基InAs量子点激光器发射光谱随温度的变化：（a）未掺杂，（b）Be掺杂Fig.7The emission spectra of GaAs-based InAs QD laser with different temperatures at the same injection current of 350 mA：（a）undoped，（b）Be-doped图8GaAs基InAs量子点激光器特征温度的变化曲线Fig.8The characteristic temperature curves of GaAs-based InAs quantum dot laser4544 期杜安天 等：有源区Be掺杂对1.3 m InAs量子点激光器性能的影响地抑制由热激发引起的热空穴能级展宽。3结论利用分子束外延技术在GaAs（100）衬底上成功制备了 1.3 m 波段的 InAs/GaAs 量子点激光器。在室温连续工作模式下，对未掺杂和Be掺杂InAs量子点激光器的输出性能、光谱性能和温度稳定性进行了测试分析与比较。与未掺杂的激光器相比，Be掺杂可以有效地降低激光器的阈值电流密度到100 A/cm2，增大激光器的输出功率到183 mW，最高工作温度可以提高到130，激光器具有更好的温度稳定性。这对InAs量子点激光器在高速光纤通信领域的应用具有重要意义。References1 Wang Z，Qi W，Feng Q，et al.InAs/GaAs quantum dot single-section mode-locked lasers directly grown on Si（001）with optical self-injection feedbackJ.Optics Express，2020，29（2）：674-683.2 Liu A Y，Srinivasan S，Norman J，et al.Quantum dot lasers for silicon photonics Invited J.Photonics Research，2015，3（5）：050000B1.3 Yang J，Liu Z，Jurczak P，et al.All-MBE grown InAs/GaAs quantum dot lasers with thin Ge buffer layer on Si substrates J.Journal of Physics D Applied Physics，2020，54（3）：035103.4 Jung D，Norman J C，Kennedy M J，et al.High efficiency low threshold current 1.3 m InAs quantum dot lasers on on-axis（001）GaP/SiJ.Applied Physics Letters，2017，111（12）：122107.5 Yuan 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