1 引言

激射波长在2~4 μm的半导体激光器在气体检测、自由空间光通信、生物医疗及红外对抗等方面具有重要应用,目前已经成为国内外研究的重点方向之一^[1-2]。而基于III-V族的半导体材料激光器,例如磷化铟(InP)和砷化镓(GaAs)激光器,虽然已经得到了长期的发展与研究,但受到带隙的限制,2 μm以上的中红外激光器很难获得^[3-4]。而基于锑化镓(GaSb)体系材料的量子阱半导体激光器在室温下能够实现2 μm的连续激射,并且具有功耗低、功率高、电-光转换效率高、易于制备和集成等优点。因此,GaSb基量子阱激光器成为实现2~4 μm波段半导体激光器的最优方案之一^[5-9]。

目前,国内外主流的GaSb基I类量子阱激光器采用InGaAsSb作为势阱材料,AlGaAsSb作为势垒材料,但是受到四元势垒材料AlGaAsSb晶格匹配的限制,这一类量子阱势阱材料中的As组分不能太高,从而使得四元势阱材料的价带带阶较窄,因此其发光波长极限只能达到2。5 μm^[10-14]。为了进一步拓宽其波长,德国Walter Schotty研究所^[15]首次引入五元势垒材料AlGaInAsSb来增大价带带阶,实现了3 μm的室温脉冲激射。在国内外的研究中,人们将重点基本都放在了五元材料的能带设计和材料应变的控制上,而关于AlGaInAsSb材料本身外延质量的优化研究却相对较少。本文从优化五元势垒量子阱材料AlGaInAsSb入手,制备了一款高质量的I类量子阱长波长激光器。

2 材料优化

本文设计了量子阱材料的生长温度梯度实验,采用固态源分子束外延设备(MBE),在[100]晶向的GaSb衬底上生长外延量子阱结构;然后采用原子力显微镜(AFM)和荧光光谱(PL)仪对样品进行测试分析,以确定最优的生长条件。

为了实现更长的发光波长,应变势阱层材料选用了较高的In组分(缩短势阱的带隙),同时必须提高As组分,以确保势阱材料达到较小的晶格失配度。但是,As组分的增加会导致价带下移,从而使得价带带阶越来越小,空穴的限制能力越来越弱,俄歇复合概率增加,光增益明显下降。为了解决这一问题,本文引入了五元势垒的量子阱材料AlGaInAsSb,通过在势垒层中引入更高的As组分来降低势垒材料的价带能级,进而提高量子阱带阶。本文首先生长300 nm厚的GaSb缓冲层;然后外延生长5对量子阱材料层,单层量子阱包括10 nm厚的In_0。42Ga_0。58As_0。16Sb_0。84应变势阱层和上下两个10 nm厚的晶格匹配的Al_0。35Ga_0。45In_0。2As_0。22Sb_0。78势垒层;最后外延生长了20 nm厚的GaSb盖层,以防止表层的Al氧化,因为Al氧化会导致材料性能下降。

材料的生长温度通过采用反射式高能电子衍射仪(RHEED)原位监控设备观察材料表面的乘5再构到乘3再构状态的转变温度T_c来标定。在其他生长条件不变的情况下,设计并外延生长了一组生长温度为T_c+5 ℃、T_c-15 ℃、T_c-35 ℃、T_c-55 ℃的样品,并对其进行了AFM及PL测试。

图1所示为不同温度下的PL测试结果。量子阱的发光中心波长约为3。05 μm。在实验设计的温度范围内,温度越低,量子阱的界面突变因原子平均迁移长度降低而变得更加明显,从而使得PL的峰值强度更高;当生长温度为T_c-55 ℃时,因生长温度过低,III族原子在材料表面的迁移率过低,并呈岛状生长,形成了大量缺陷,导致材料晶格质量下降,量子阱的发光效应恶化。在图1中,当生长温度为T_c-35 ℃时,量子阱材料具有最强的荧光发光强度。

图 1. 不同生长温度下的PL测试结果

Fig. 1. PL test results at different growth temperatures

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图2所示为不同温度梯度下AFM测试结果的表面粗糙度均方根(RMS)曲线,可以看到,表面粗糙度RMS值在T_c-55 ℃到T_c-15 ℃范围内呈降低的趋势。这是因为五元势垒材料AlGaInAsSb中In组分的含量较低,因此其生长特性与AlGaAsSb类似,呈现出最优生长温度较高的特性。因此,在T_c-55 ℃到T_c-15 ℃的温度范围内,AlGaInAsSb的外延质量升高,从而使得表面粗糙度RMS值表现出降低的趋势,即材料表面的平整度更加良好,材料内部的晶格质量较高。而继续升高生长温度,表面粗糙度RMS值表现出了明显恶化的趋势,这是由于势阱材料InGaAsSb相比于GaSb衬底存在一个约1。3%的应变,较高的生长温度会导致材料表面原子的迁移率升高,而这会使应变带来的缺陷效应变得更加严重,不利于应变材料的生长。因此,在温度继续升高的条件下,材料表面粗糙度RMS值又开始上升,材料表面形貌恶化了。由图2可知,当生长温度为T_c-15 ℃时,量子阱材料具有最低的表面粗糙度。

图 2. 不同温度梯度下AFM测试结果的表面粗糙度曲线

Fig. 2. Surface roughness curve of AFM test results at different temperatures

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综合考虑上述实验结果可知,量子阱激光器作为发光器件,其优化的最主要方向应该是PL的强度,PL峰值最强的生长温度为T_c-35 ℃。当生长温度为T_c-35 ℃时,材料的表面粗糙度虽然比T_c-15 ℃时略差,但材料的平整度仍比较好,能够满足后续器件表面粗糙度的要求。因此,本文认为T_c-35 ℃是量子阱材料的最优生长温度,并将其作为后续器件外延生长的最佳温度条件。

3 器件的外延与制备

结合第2节优化的量子阱材料参数,外延生长了全结构的量子阱激光器外延片,激光器结构的能带图如图3所示(E_c表示导带能级,E_v表示价带能级)。首先在n型GaSb衬底上以T_c+110 ℃的生长温度生长500 nm厚的n型GaSb(掺杂Te:10¹⁸ cm^-3),用以填补衬底脱氧以后产生的缺陷,确保后续外延层的质量;然后生长2 mm厚的n型限制层Al_0。55Ga_0。45As_0。05Sb_0。95(掺杂Te:10¹⁷ cm^-3),之后将衬底温度降低至T_c-35 ℃,生长270 nm厚的非掺杂下波导层Al_0。25Ga_0。75As_0。05Sb_0。95及3对量子阱,包括10 nm厚的In_0。42Ga_0。58As_0。16Sb_0。84应变势阱层和上下两个10 nm厚的Al_0。35Ga_0。45In_0。2As_0。22Sb_0。78势垒层;然后继续生长270 nm厚的非掺杂上波导层Al_0。25Ga_0。75As_0。05Sb_0。95;虽然p型限制层Al_0。55Ga_0。45As_0。05Sb_0。95材料的最优生长温度为T_c+110 ℃,但为了防止衬底升温使量子阱材料产生退火效应从而导致材料的发光效应恶化,保持衬底温度为T_c-35 ℃不变,继续生长2 μm厚的p型限制层Al_0。55Ga_0。45As_0。05Sb_0。95(掺杂Be:10¹⁷ cm^-3);最后生长一层300 nm厚的的p型接触层GaSb(掺杂Be:10¹⁸ cm^-3),用以实现良好的欧姆接触。

图 3. 激光器能带图

Fig. 3. Energy band sketch of the lasers

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外延结束后,利用接触式曝光技术和电感耦合等离子体刻蚀技术(ICP)在外延片上制备出脊型波导结构,其中脊宽为50 μm,腔长为1。5 mm,刻蚀深度为2。2 μm;然后利用等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD)在外延片表面沉积200 nm厚的SiO₂作为绝缘层材料,再采用二次光刻和ICP在绝缘层表面制备出一个电流注入窗口,接着采用磁控溅射技术在外延片表面沉积一层Ti/Pt/Au(厚度分别为50 nm/50 nm/1000 nm),作为p面的欧姆接触。激光器脊条的扫描电镜(SEM)图如图4所示。接下来,对衬底进行减薄抛光,再在其上热蒸发一层AuGeNi/Au(厚度为50 nm/300 nm),并进行高温退火处理。退火处理后的AuGeNi/Au层作为n面的欧姆接触。最后将外延片解理成管芯,并倒焊在C-mount铜热沉上。

图 4. 激光器脊条的SEM图

Fig. 4. SEM image of the laser ridge

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4 器件的性能

在室温连续工作状态下,对器件进行了测试,测试结果如图5所示。由图5所示的激射谱可知,当注入电流为2 A时,器件的激射波长为2。758 μm。在未镀膜条件下,器件的P-I-V(功率-电流-电压)曲线如图6所示,阈值电流为0。4 A,阈值电流密度为533 A·cm^-2,开启电压为1。1 V,串联电阻为1 Ω。在注入电流为1。8 A时,器件达到了最大功率(60 mW)。

图 5. 注入电流为2 A时激光器的激射谱

Fig. 5. Lasing spectrum of lasers at 2 A injection current

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图 6. 室温下器件的P-I-V曲线

Fig. 6. P-I-V curves of the device at room temperature

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由于器件的开启电压与串联电阻较大,因此在注入电流较大时,器件会产生热退化,难以在室温下实现高功率连续工作。如图7所示,在室温脉冲泵浦条件下(1000 Hz,100 μs),器件的热效应降低,脉冲激射下最大的平均输出光功率为200 mW。

图 7. 室温脉冲泵浦下器件的P-I曲线

Fig. 7. P-I curve of the device pumped by pulse current at room temperature

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5 结论

本文研究了一种GaSb基I型InGaAsSb/AlGaInAsSb五元势垒量子阱材料,并基于该材料对激光器发光波长的拓展进行了设计和实验研究。研究了该五元化合物材料外延生长温度的调节方法,通过对比不同生长温度下的量子阱发光PL强度以及外延材料的表面粗糙度,优化了激光器有源区的生长条件,获得了最适合的量子阱材料生长温度,即再构温度T_c再降低35 ℃。采用优化生长条件下生长的量子阱激光器材料制备了法布里-珀罗腔单管激光器,大幅度拓展了传统四元势垒量子阱材料InGaAsSb/AlGaAsSb的激射波长,该激光器实现了峰值波长为2。758 μm的室温连续激射。腔面未镀膜的激光器在室温下的连续输出功率可达60 mW,阈值电流密度为533 A·cm^-2,脉冲泵浦下的平均功率可以达到200 mW。