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量子点激光器在围攻它的量子阱对手
量子点激光器在围攻它的量子阱对手
2005/7/4/8:15来源：中国激光网作者：单振国 译 摘要：凭借自组成这样一种首选的制造方法，量子点激光器正在从高温生长隔层和为改善温度性能而采用的p-型调制掺杂中获益。 与量子阱激光器比较，量子点激光器提供了进一步改善器件性能的可能性。量子点的电子状态是完全量化的,形成了分立的类原子的态密度。在理想情况下，孤立的量子点只能限住一个电子态和一个孔穴态, 载流子只能注入到没有热激励的态中, 从而引起极低的和温度敏感的阈值电流。但是，在实际的量子点中，存在着多重限制态，还有一些态位于周围的点阵中。温度敏感性与这些态的能级与受激态的接近程度有关。一个悬而未决的问题是：真实量子点激光器的性能与理想器件的性能究竟能接近到什么程度。 自组成量子点 对激光应用来说, 量子点的光学效率必须较高；体积必须足够小，这样，才能将束缚态的能量分得足够的开；此外，量子点的密度也要足够大，以保证足够高的增益；均匀性要好，且能用标准外延方法制造。自组成量子点能使上述多数要求得到满足。
图1.未戴帽的铟砷(InAs)自组成量子点可在砷化镓(GaAs)上生长
如果二种半导体的晶格常数相差很大，在外延生长时就会发生自组成现象。例如，在GaAs上生长InAs时，就会形成小岛,即量子点(见图1)。接着，这些量子点就随GaAs长大，一个新的平面会很快形成, 可在上面生长下一个量子点层。以自组成量子点为基础的激光器，阈电流密度比相应量子阱激光器的阈电流密度小三倍。 1.3μm的量子点激光器 运转在1.3μm的以砷化镓为基础的量子点激光器，可能会成为以InP为基础的量子阱激光器的替代品。以InP为基础的量子阱激光器需要昂贵的InP衬底，室温性能较差。制作1.3μm垂直腔表面发射激光器(VCSEL)也很困难，因为缺少适合于制作布拉格反射镜的半导体材料。在砷化镓中生长的砷化铟量子点的发光波长一般在1.0μm左右。为了将发射波长移到1.3μm，或者增加点的大小，或者改变量子点周围的环境，如在InGaAs量子阱中生长量子点。后一技术可产生较高的量子点密度，因此，更适合于激光应用。然而,即使采用这样的技术, 单个量子点层的模增益还是很低的, 因此，需要采用多个量子点层以达到足够的增益。结果，沉积的应力材料数量(在InAs量子点和周围的InGaAs中均有应力)相对较高,因此，生长要十分小心，以防止应力的释放和缺陷的形成。 在一项最新的关于1.3μm量子点激光器分子束外延生长的报告中，作者指出在InGaAs量子阱之间的GaAs隔层的生长对器件性能起着关键的作用。这一隔层通常在与含铟层相同温度下生长，生长温度必须很低(约5000C)，以避免铟从生长表面逸出。不幸的是，在该温度，镓原子的表面迁移率很低,很难使砷化镓重新回到平面状态。结果就使下一个量子点层在比较粗糙的表面上生长,以坑作为成核点。在坑处，量子点一般较大，可能会超过缺陷形成的临界厚度。这些缺陷量子点的存在，使光学效率减小，内部损耗增加，阈值电流提高。
开始时，砷化镓隔层的生长温度是不能增加的；否则，量子点中的铟就会损失，从而使辐射波长变短。然而，在5800C，生长的最后一层，厚35nm(在总厚度50nm以外)，由于这层中的镓原子迁移率提高了，因此，可使生长表面有效地回复到平面状态，使下一个量子点层的生长成为无缺陷增长。采用这个高温生长的隔层(HGTSL)，可以将五层结构中的量子点密度，从大约109cm-2减少到106cm-2以下。
图2.在采用了包括高生长温度隔离层(HGTSL)技术在内的制造技术之后，三个腔长为5毫米的1.3μm量子点激光器的温度性能，有了很大的提高。有无HGTSL的量子点激光器的反向偏置特性也不同，可与量子阱相比。对量子阱激光器来说，35V以下的漏电流是由测量系统噪声水平所决定的（见插图）。
有无HGTSL器件之间的差别是很大的(见图2)。比较含有三个量子点层器件,引入HGTSL后，室温阈电流密度降低了5倍。对无HGTSL的5层器件，缺陷密度太高，以致无法使器件在室温运转。但对有HGTSL的器件，却有可能在1000C以上的温度下运转。在类似的3层量子点器件中,隔层厚度可增至70nm,对不同结构的器件，所得到的连续室温运转的阈值电流密度分别为32.5和17Acm-2，前者的结构为5毫米腔长的解理器件，后者为2毫米腔长、腔面镀有高反膜的器件。HGTSL还改善了反向偏置时的漏电流特性,表明有缺陷的量子点为漏电流提供了通路。因为具有HGTSL的器件仍然有漏电流，而且比1.0μm InGaAs量子阱激光器高很多,说明具有HGTSL的器件仍可能含有若干有缺陷的量子点。 进一步使生长条件最佳化，有可能使器件性能得到进一步改进。 改善温度稳定性 以铟磷为基础的1.3μm量子阱激光器具有相对低的特性温度(T0)，约为60K， 尽管，在采用(InGaAlAs)限制层后，这个特性温度可能会增加到100K。与此成为明显对照的是：理想量子点激光器的T0应是无限大。但在实际上,由于存在多重点态、周围点阵中的态或非辐射过程(与缺陷或俄歇有关)，使T0变为有限。1.3μm量子点激光器的典型T0值为60到140K。
图3. 量子点激光器的温度稳定性，可以通过对p-型材料进行调制掺杂得到改善。
最近，研究人员已经通过对量子点p-型材料进行调制掺杂使T0值得到改善(见图3)。 将有无p-型掺杂的二个器件进行比较，可以看出在-1000C到+600C的温度范围内，掺杂器件的温度灵敏度大大降低了，但在+600C以上，这两种器件的温度灵敏度基本相同。将掺杂器件的这种温度迟钝行为延伸到更高的温度，是非常令人神往的。 需要进一步发展？ 最好的1.3 μm量子点激光器现在已经呈现了非常好的特点，超低的阈值电流密度，在室温以上运转具有很高的温度稳定性。但是，仍需要进一步发展。在600C以上，阈电流密度迅速增加的问题需要进一步研究，如果可能，最好除去。自组成量子点的大小差异很大。结果，只有一部分量子点对激光有贡献。因此，需要进一步提高量子点的均匀性，尽管，现在还不清楚，在这方面有没有可能取得重大进展。调制速率受“声子瓶颈”牵制，在声子瓶颈中，分立的量子点态之间的快速的载流子驰豫，由于缺少有效的能量保持机制而受到阻止。到目前为止, p-型掺杂的1.3μm量子点激光器的调制频率已达10Gbit/s。此外，对含有相当数量高应力材料的激光器的寿命，也需要进行进一步的研究。
最后,人们对将运转波长扩大到1.55μm的兴趣，与日俱增。事实上，以GaAs为基础的1.5μm的量子点激光器已经实现，其中包含一个松施的InGaAs层，它可对量子点的应力环境进行修正。唯一的问题是阈电流密度较高, 接近1KA cm-2, 也许，这是由于松施层引入缺陷的结果。 延长发射波长的其它可能性包括在InAs量子点中，添加少量的氮或锑，以减小它们的禁带宽度。
以GaAs为基础的1.3μm的量子点激光器，现在已可从许多商家那里买到。在今后几年里，继续提高性能将会决定这些器件能否会真正成为现有量子阱激光器的替代品。
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