簡介
量子點激光器（quantum dot laser）對注入載流子具有三維量子限制結構的半導體激光器。器件的有源區被寬帶隙勢壘區分割為許多小體積，其線度在三維方向上均接近或小于載流子的德布羅衣波長，對載流子在空間所有方向上的運動均進行了量子限制。此時，半導體材料原有的能帶結構被重新分裂為分立的能級。與量子阱和量子線激光器相比，量子點激光器在輸出光譜純度、闕值電流、溫度特性和調制性等方面的性能均可獲得較大幅度的提高。
早在80年代初，理論預言：量子點激光器的性能與量子階激光器或量于線激光器相比，具有更低 的閡值電流密度，更高的特征溫度和更高的增益等優越特性[1,2]。這主要由于在量子點材料(又稱零維材料)中，載流子在三個運動方向上受到限制，載流于 態密度與能量關系為6函數，因而具有很多獨特的物理性質，如量子效應、量子隧穿、非線性光學等，極大地改善了材料的性能。因此，不但在基礎物理研究方面意 義重大，而且在新型量子器件等方面顯示出廣闊的應用遠景。目前，零維材料結構及其應用為國際上最前沿的研究領域之一，仍處于探索階段。90年代初，利用 MBE和MOCVD技術，通過Stranski—Krastanow(S—K)模式生長In(Ga)As/GaAs自組裝量子點等零維半導體材料有了突破 性的進展，生長出品格較完整，尺寸較均勻，且密度和發射率較高的InAs量子點，并于1994年制備出近紅外波段InGaAs/GaAs量子點激光器 [3]。目前國際上已有一些實驗室制備了In(Gs)As/GnAs量子點激光器[4-10]。本文報道我們在原有的基礎上[4]優化結構設計和生長工 藝，制備出低閡值電流密度和大功率量子點激光器，并用光致發光(PL)、電致發光(EL)、原子力顯微鏡(AFM)和高分辨率透射電鏡(TEM)等對 InAs/GaAs量子點垂直耦合結構材料進行研究。
實驗
我們采用Riber32P型MBE系統在N+GaAs〔001)晶向的襯底上生長結構漸變折射率波導分別限制的量子點激光器材料。生長前先在高溫下往除N+襯底氧化層，再生長0.5μm厚的摻SiN+GaAs緩沖層，摻雜濃度n=2×1018cm-3，中間夾著20個周期GaA3/AlGaAs超品格，用以改善外延層平整度和阻擋雜質向外延方向擴散，然后生長lμm厚N+AlGaAs下限制層(n=1018cm-3，Al 組分x=0.5)和分別限制漸變x值AlGaAs波導層(x值從0.5至0)，厚度為0.4μm，中間夾著有源區為三組(InAs)2(GaAs)18量 子點垂直稠合結構，即每組包括InAs量子點和GaAs隔離層，InAs層厚為2原子層(ML)，GaAs層厚為18ML。最后生長P+AlGaAs上限 制層和0.3μm厚P+GaAs頂層(p=5×1019cm-2)作歐姆接觸層。在生長InAs過程中，當InAs厚度超過1.6 單原子層(ML)時，從原位監測的高能電子衍射儀(RHEED)的衍射圖形觀察到從條狀開始變成點狀，這表明生長過程從二維狀態過渡到二維狀態，即 InAs點開始形成。生長速率對GaAs為0.7μm/h，對InAs為0.2μm/h；襯底溫度對GaAs為600℃，AIGaAs為 700℃，InAs為480℃。
結論
圖1為用透射電鏡觀察的有源區量子點垂直耦臺結構的橫截面圖像，有源區為三組(1nAs)2(GaAs)18組成，即每組包括InAs量子點和GaAs隔 離層，InAs層厚為2ML，GaAs層厚為18ML。圖2為按相同條件生長2.0MlInAs量子點，表面無復蓋層的原子力顯微鏡圖像 (600×600nm2)。圖3為量子點尺寸分布統計圖，可以看出，InAs量子點大小較為均勻，橫向尺寸約為15-20nm，高度約為3nm，密度為7.6×1010/cm2。
將QD-LD材料的樣品做成條寬為100μm，腔長為800μm的寬接觸激光器，室溫下實現連續激射。圖4為垂直耦合自組裝InAs/GaAs量子點激光器的光輸出功率和電流關系圖。最大光輸出功率大于1W，斜率為0.68W/A，閾值電流密度僅為218A/cm2，在77K丈量，閾值電流密度為49A/cm2， 其性能與量子阱激光器可相比。圖5為在不同電流強度(I＝0.91Ith，1.0Ith，1.05Ith，)下的電致發光(EL)光譜和光激射譜圖，激射 波長為960nm。圖6為QD—LD在0.54W工作下量子點激光器輸出功率隨時間變化曲線，老化試驗為3000小時，功率僅下降0.49db。按功率下 降2db推算，壽命可超過1萬小時。在此基礎上，還制備了實用化的大功率量子點激光器激光耦合模塊，室溫連續激射功率超過10W，未見文獻有關報道。
總結
我們成功地研制出低閡值電流密度和大功率量子點激光器，當腔長為800μm，連續激射閉值電流密度在300K和77K下分別為218A/cm2和49A/cm-2， 波長為960nm，光輸出功率大于lW，斜率為0.68W/A。在0.54W工作下，壽命超過3000小時，功率僅下降0.49db。按2db推算，壽命 可超過l萬小時。并制備出實用化的大功率量子點激光器激光輥合模塊，室溫連續激射功率超過10W。通過分析我們以為，要進一步降低閡值電流密度，關鍵在于 進步InAs量子點尺寸的均勻性，增加量子點的密度和進步材料質量。
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