簡介　  

      量子點(diǎn)激光器（quantum dot laser）對注入載流子具有三維量子限制結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器。器件的有源區(qū)被寬帶隙勢壘區(qū)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(yùn)動(dòng)均進(jìn)行了量子限制。此時(shí)，半導(dǎo)體材料原有的能帶結(jié)構(gòu)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(diǎn)激光器在輸出光譜純度、闕值電流、溫度特性和調(diào)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(yù)言：量子點(diǎn)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(yōu)越特性[1,2]。這主要由于在量子點(diǎn)材料(又稱零維材料)中，載流子在三個(gè)運(yùn)動(dòng)方向上受到限制，載流于 態(tài)密度與能量關(guān)系為6函數(shù)，因而具有很多獨(dú)特的物理性質(zhì)，如量子效應(yīng)、量子隧穿、非線性光學(xué)等，極大地改善了材料的性能。因此，不但在基礎(chǔ)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(yīng)用遠(yuǎn)景。目前，零維材料結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用為國際上最前沿的研究領(lǐng)域之一，仍處于探索階段。90年代初，利用 MBE和MOCVD技術(shù)，通過Stranski—Krastanow(S—K)模式生長In(Ga)As/GaAs自組裝量子點(diǎn)等零維半導(dǎo)體材料有了突破 性的進(jìn)展，生長出品格較完整，尺寸較均勻，且密度和發(fā)射率較高的InAs量子點(diǎn)，并于1994年制備出近紅外波段InGaAs/GaAs量子點(diǎn)激光器 [3]。目前國際上已有一些實(shí)驗(yàn)室制備了In(Gs)As/GnAs量子點(diǎn)激光器[4-10]。本文報(bào)道我們在原有的基礎(chǔ)上[4]優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生長工 藝，制備出低閡值電流密度和大功率量子點(diǎn)激光器，并用光致發(fā)光(PL)、電致發(fā)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(diǎn)垂直耦合結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行研究。

        實(shí)驗(yàn)

        我們采用Riber32P型MBE系統(tǒng)在N+GaAs〔001)晶向的襯底上生長結(jié)構(gòu)漸變折射率波導(dǎo)分別限制的量子點(diǎn)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(gè)周期GaA3/AlGaAs超品格，用以改善外延層平整度和阻擋雜質(zhì)向外延方向擴(kuò)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A(chǔ)lGaAs波導(dǎo)層(x值從0.5至0)，厚度為0.4μm，中間夾著有源區(qū)為三組(InAs)2(GaAs)18量 子點(diǎn)垂直稠合結(jié)構(gòu)，即每組包括InAs量子點(diǎn)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(dāng)InAs厚度超過1.6 單原子層(ML)時(shí)，從原位監(jiān)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(diǎn)狀，這表明生長過程從二維狀態(tài)過渡到二維狀態(tài)，即 InAs點(diǎn)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(jié)論

           圖1為用透射電鏡觀察的有源區(qū)量子點(diǎn)垂直耦臺結(jié)構(gòu)的橫截面圖像，有源區(qū)為三組(1nAs)2(GaAs)18組成，即每組包括InAs量子點(diǎn)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(diǎn)，表面無復(fù)蓋層的原子力顯微鏡圖像 (600×600nm²)。圖3為量子點(diǎn)尺寸分布統(tǒng)計(jì)圖，可以看出，InAs量子點(diǎn)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(shí)現(xiàn)連續(xù)激射。圖4為垂直耦合自組裝InAs/GaAs量子點(diǎn)激光器的光輸出功率和電流關(guān)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(qiáng)度(I＝0.91Ith，1.0Ith，1.05Ith，)下的電致發(fā)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(diǎn)激光器輸出功率隨時(shí)間變化曲線，老化試驗(yàn)為3000小時(shí)，功率僅下降0.49db。按功率下 降2db推算，壽命可超過1萬小時(shí)。在此基礎(chǔ)上，還制備了實(shí)用化的大功率量子點(diǎn)激光器激光耦合模塊，室溫連續(xù)激射功率超過10W，未見文獻(xiàn)有關(guān)報(bào)道。

     總結(jié)

     我們成功地研制出低閡值電流密度和大功率量子點(diǎn)激光器，當(dāng)腔長為800μm，連續(xù)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(shí)，功率僅下降0.49db。按2db推算，壽命 可超過l萬小時(shí)。并制備出實(shí)用化的大功率量子點(diǎn)激光器激光輥合模塊，室溫連續(xù)激射功率超過10W。通過分析我們以為，要進(jìn)一步降低閡值電流密度，關(guān)鍵在于 進(jìn)步InAs量子點(diǎn)尺寸的均勻性，增加量子點(diǎn)的密度和進(jìn)步材料質(zhì)量。