InAs量子點(diǎn)面發(fā)射激光器的概述

東京大學(xué)荒川泰彥教授（Y. Arakawa）在1982年提出量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的概念，在1994年柏林工業(yè)大學(xué)D. Bimberg教授和俄羅斯loffe物理技術(shù)研究所N. N. Ledentsov團(tuán)隊(duì)首次利用MBE成長(zhǎng)Al0.3Ga0.7As/In0.5Ga0.5As/Al0.3Ga0.7As雙異質(zhì)接面結(jié)構(gòu)，其中In0.5Ga0.5As因?yàn)閼?yīng)變導(dǎo)致形成島狀的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，所制作的邊射型雷射可以在液態(tài)氮冷卻下電激發(fā)光操作，而且在50~120K溫度范圍內(nèi)特性溫度T0可以高達(dá)350K，顯示該雷射二極體閾值電流值不大會(huì)隨著溫度變化，因?yàn)榱孔狱c(diǎn)發(fā)光頻譜已經(jīng)不再單純由材料能隙所決定，而是受到量子點(diǎn)尺寸大小造成的載子局限效應(yīng)量化能階所主導(dǎo)，這個(gè)高溫度穩(wěn)定性對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)半導(dǎo)體雷射相當(dāng)重要，特別是在遠(yuǎn)距離光纖通訊光收發(fā)模組主動(dòng)光源應(yīng)用。隨后InGaAs或InAs量子點(diǎn)成長(zhǎng)在砷化鎵基板制作紅外光半導(dǎo)體雷射陸續(xù)被報(bào)導(dǎo)。

在2000年時(shí)美國(guó)空軍技術(shù)學(xué)院J.A. Lott與俄羅斯loffe物理技術(shù)研究所N. N.Ledentsov和柏林工業(yè)大學(xué)D. Bimberg教授團(tuán)隊(duì)合作共同發(fā)表InAs/In0.15Ga0.85As（5nm）的量子點(diǎn)發(fā)光層面射型雷射，可以在20°C下脈沖電激發(fā)光操作，發(fā)光波長(zhǎng)為1.3μm。該結(jié)構(gòu)利用固態(tài)源分子束磊晶（solid-source MBE）直接成長(zhǎng)在n型摻雜砷化鎵基板上，上下DBR分別由5.5對(duì)和7對(duì)AlAs/GaAs所組成，在稍后制程中被氧化為A1Ox/GaAs介電質(zhì)/半導(dǎo)體混成式DBR以獲得高反射率。發(fā)光層與DBR之間分別被上下兩層1λ厚的GaAs間隔層（spacer）隔開，由于上下DBR氧化后形成AlOx無法導(dǎo)通電流，因此注入電流就必須透過緊鄰活性層的這兩層間隔層及金屬電極來達(dá)成。發(fā)光層基本上是由2.5倍單層原子層（monolayer）厚度的InAs以及覆蓋在其上的5nm厚In0.15Ga0.85As形成量子井包覆量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)（dot-in-well） 中間再以25nm厚的GaAs隔開形成三重量子井結(jié)構(gòu)。元件結(jié)構(gòu)如下圖6-5所示。由于磊晶成長(zhǎng)機(jī)制的關(guān)系，成長(zhǎng)2.5倍原子層的磊晶時(shí)間并不足以讓InAs材料形成均勻連續(xù)的平整薄膜，反而會(huì)在局部形成金字塔狀的小島（pyramidal islands），這些密度約為5×1010cm-2的小島就是量子點(diǎn)，可以有效局限注入載子在小范圍內(nèi)形成發(fā)光復(fù)合，而且發(fā)光波長(zhǎng)通常會(huì)比InAs塊材 （bulk mnaterial）來的短，因?yàn)檩d子被局限在與其物質(zhì)波波長(zhǎng)相近的范圍內(nèi)時(shí)，其能階分布會(huì)形成不連續(xù)的量化能階（quantized energy states），因此可以讓原本晶格常數(shù)遠(yuǎn)大于砷化鎵且發(fā)光波長(zhǎng)超過1.55微米的InAs材料有機(jī)會(huì)直接成長(zhǎng)在砷化鎵基板上并發(fā)出波長(zhǎng)在1.3~1.55微米范圍的光，

稍后在2001年該團(tuán)隊(duì)也達(dá)到連續(xù)波操作的成果。并將DBR高鋁含量材料分別由AlAs換成Al0.98Ga0.02As再氧化成Al（Ga）O以及全磊晶未摻雜的Al0.9Ga0.1As/GaAs半導(dǎo)體DBR，配合共振腔間電極接觸（intracavity contact） 注入電流均可達(dá)到室溫下連續(xù)波電激發(fā)光操作的成果。

2005年時(shí)工研院與俄羅斯loffe物理技術(shù)研究所及交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作，首次利用MBE系統(tǒng)成長(zhǎng)全摻雜的GaAs/Al0.9Ga0.1As DBR制作出室溫下連續(xù)波操作電激發(fā)光的量子點(diǎn)面射型雷射，并且利用光子晶體結(jié)構(gòu)改善單模操作之旁模抑制比最高達(dá)到40dB。所采用的磊晶結(jié)構(gòu)如下圖6-6所示，采用n型摻雜砷化鎵基板先成長(zhǎng)33.5對(duì)1/4波長(zhǎng)的n型摻雜GaAs/Al0.9Ga0.1As DBR，接著成長(zhǎng)2λ厚的GaAs活性層，活性層中成長(zhǎng)九層2-monolayer的InAs并以8nm厚的In0.15Ga0.85As覆蓋形成量子井包覆量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，每層量子井之間以30nm厚的GaAs隔開，全部九層量子井被分三組，每組均為三重量子井結(jié)構(gòu)，被平均分配在2λ共振腔中的三個(gè)電場(chǎng)強(qiáng)度駐波峰值（standing wave peak position）位置以獲得最大的增益，接著繼續(xù)成長(zhǎng)27對(duì)p型DBR。由于上下DBR均有施加摻雜，因此可以用砷化鎵系列材料面射型雷射制程方式來制作元件，包括選擇性氧化孔徑以及上下電極均直接沉積在磊晶片最上層表面與基板背面，無須采用復(fù)雜的共振腔間電極接觸方式。實(shí)際制作的元件可以在室溫下連續(xù)波操作，閾值電流僅為1.7mA，最大輸出功率為0.33mW，發(fā)光波長(zhǎng)1275nm且為單橫模操作，旁模抑制比為28dB，進(jìn)一步在發(fā)光區(qū)制作光子晶體結(jié)構(gòu)時(shí)可以提高旁模抑制此達(dá)到40dB，顯示InAS/InGaAs量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)確實(shí)適合用于長(zhǎng)波長(zhǎng)面射型雷射發(fā)光區(qū)增益介質(zhì)。

采用量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)制作面射型雷射還有一個(gè)比其他材料更具優(yōu)勢(shì)的特性，如同本書3-4節(jié)介紹面射型雷射操作溫度特性時(shí)所述，以及圖3-10所描述發(fā)光層材料增益頻譜隨溫度上升而往較長(zhǎng)波長(zhǎng)紅移的速度，比共振腔縱模（也就是主要發(fā)光波長(zhǎng)）還要快的多，因此在不同溫度下操作時(shí)由于元件溫度上升，會(huì)使閾值電流大小發(fā)生變化，評(píng)估一個(gè)雷射元件閾值電流大小是否容易隨著溫度變化而改變的特性參數(shù)稱為特性溫度（characteristics temperature, T0），T0通常跟發(fā)光層增益材料有關(guān)，如前面所述InP系列材料因?yàn)閷?dǎo)帶能階差異較小，因此電子容易因?yàn)闇囟壬仙缌?，?dǎo)致雷射在較高溫度下就需要更高注入電流才能達(dá)到雷射增益，因此其T0相對(duì)較低，一般多在60~80K，采用AlInGaAs等與InP晶格匹配材料可以稍微提升到70～90K，而一般典型GaAs材料850nm面射型雷射特性溫度就有140K左右，采用InAs/nGaAs量子點(diǎn)發(fā)光材料后，由于增益頻譜變成受到量子點(diǎn)尺寸大小影響，不再受半導(dǎo)體材料能隙大小主導(dǎo)，因此其溫度效應(yīng)變的很小，也就是說增益頻譜波長(zhǎng)不大會(huì)隨著溫度上升而明顯往長(zhǎng)波長(zhǎng)紅移，所以利用InAs/InGaAs材料所制作的雷射元件其T0值輕易都可以超過350K，甚至經(jīng)過仔細(xì)的調(diào)整增益頻譜峰值波長(zhǎng)與共振腔波長(zhǎng)的差異（gain-cavity mode detuning），有機(jī)會(huì)在光通訊模組操作溫度范圍-5～75°C甚至更嚴(yán)苛的-40～85°C溫度范圍內(nèi)達(dá)到T0值接近無限大的結(jié)果，也就是說在這個(gè)溫度范圍內(nèi)閾值電流值幾乎不隨著溫度變化而改變。

通常面射型雷射較一般雷射二極體具有更好的高溫操作特性，而且發(fā)光波長(zhǎng)對(duì)溫度變化率也遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)邊射型雷射。圖6-7顯示一個(gè)850nm氧化局限面射型雷射變溫測(cè)試光輸出功率對(duì)電流（L-I）特性曲線，由圖中可以觀察到當(dāng)元件操作溫度從20°C提高到90°C時(shí)，閾值電流值從1.3mA增加到2.2mA，最大輸出功率從5mW降低為2.2mW。借由元件在不同溫度下操作的閾值電流值可以計(jì)算出該雷射的特性溫度，其公式如下：