摘要：利用氣態(tài)源分子束外延技術(shù)在GaAs襯底上生長InAs量子點(diǎn)材料，研制出激射波長為1.3 μm波段由5層量子點(diǎn)組成的3 mm腔長、3 μm脊條寬度的InAs/GaAs量子點(diǎn)激光器。在室溫連續(xù)波模式下，研究了激光器的輸出性能和光譜性能，激光器的閾值電流為91 mA，相應(yīng)的閾值電流密度為1 011.1 A/cm2，激光輸出功率斜效率為115 mW/A，最高輸出功率達(dá)到30 mW。在溫度范圍10～50 ℃內(nèi)，測得激光器的特征溫度為40 K。另外，研究了改變注入電流和改變激光器的工作溫度條件下的器件激射波長的調(diào)諧特性。

0 引 言

由于具備獨(dú)特的光電特性，有源區(qū)載流子自由度受限，存在三維量子限制效應(yīng)[1-2]，使得量子點(diǎn)材料對于基礎(chǔ)物理研究和新型光電子器件的研究都有重要的意義。因此，通過分子束外延在GaAs（或InP）襯底上生長InAs量子點(diǎn)的技術(shù)得到了快速發(fā)展。量子點(diǎn)是用于光纖通信系統(tǒng)中激光器和半導(dǎo)體光放大器的非常有前景的有源區(qū)材料[3-4]。量子點(diǎn)激光器（QDL）具有線寬窄、閾值低和寬增益譜等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于外腔激光器、超輻射二極管、單光子源、量子通信和全光邏輯器件等領(lǐng)域[5-8]。

InAs/GaAs QDL可以工作在1.3 μm波段。劉會赟教授[9]的研究團(tuán)隊(duì)研制出室溫連續(xù)激射的InAs/GaAs激光器，展示了QDL的低閾值和線寬窄的獨(dú)特優(yōu)勢。龔謙課題組研究在不同襯底（InP、GaAs、Ge等）上生長InAs量子點(diǎn)，并通過制備工藝技術(shù)制作脊條型激光器，研究器件的性能[10-12]。需要說明的是，研制單片集成Si基1.3 μm發(fā)光波段的量子點(diǎn)激光器，需要先在GaAs襯底上異質(zhì)外延InAs量子點(diǎn)，然后再采用Ge-on-Si復(fù)合襯底作為媒介。

本文研制出激射波長為1.3 μm波段的GaAs基InAs量子點(diǎn)激光器。其中，器件腔長為3 mm，脊條寬度為3 μm，測試得到激光器的閾值電流為91 mA，相應(yīng)的閾值電流密度為1 011.1 A/cm2，激光輸出功率斜效率為115 mW/A，最高輸出功率達(dá)到30 mW。在溫度范圍10～50 ℃內(nèi)，測得激光器的特征溫度為40 K。同時(shí)，研究了改變注入電流和改變激光器的工作溫度條件下的器件激射波長的調(diào)諧特性。

1 材料生長和器件制作

InAs量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)采用氣態(tài)源分子束外延設(shè)備在GaAs（100）襯底上制備。選用n型GaAs襯底，在580 ℃下解氧吸附后，生長500 nm厚摻Si的GaAs緩沖層，使襯底表面變平。然后，生長20個(gè)周期2 nm摻Si的AlGaAs、2 nm厚度的GaAs超晶格結(jié)構(gòu)（AlGaAs/GaAs）作為波導(dǎo)層，再生長1 500 nm厚的摻Si的AlGaAs覆蓋層。接著，降低襯底溫度，生長5層相同（2.5 ML）的InAs量子點(diǎn)作為有源區(qū)，每層以InGaAs（GaAs）間隔層隔離，然后在有源區(qū)上重復(fù)生長相同20個(gè)周期的AlGaAs/GaAs結(jié)構(gòu)作為波導(dǎo)層，最后生長1 500 nm厚的摻Be的AlGaAs層和300 nm厚的摻Be的GaAs作為歐姆接觸層。

采用半導(dǎo)體器件制備工藝技術(shù)制作了上下電極結(jié)構(gòu)的窄脊條端面發(fā)光的量子點(diǎn)激光器，直接以晶體材料的自然解理面作為諧振腔面，兩端解理面之間的波導(dǎo)層作為激光器的諧振區(qū)域，并通過金屬蒸發(fā)制作了GaAs的上下電極。測試用的激光器的脊條寬度 為3 μm，腔長 為3 mm；芯片用銦膏焊接在銅塊熱沉上；熱沉的溫度調(diào)節(jié)和芯片的電流注入都通過溫控電流源進(jìn)行控制。激光器的激射光譜用帶有液氮制冷InSb探測器的Nicolet860傅里葉光譜儀進(jìn)行收集。輸出功率用接有InGaAs探測器的光功率計(jì)進(jìn)行測量。所有的測量都在連續(xù)波（CW）模式下進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1光譜調(diào)諧特性

在連續(xù)波模式下，溫度為20 ℃，脊條寬度為3μm，腔長3 mm的激光器激射光譜，如圖1所示。閾值電流為91 mA，閾值電流密度為1 011.1 A/cm2,中心峰值波長位置約在1 325 nm處，為多模激射。