1 引言

自组织量子点具有与原子近似的分立能级和类δ函数的态密度，表现出独特的光学和电学特性，近年来受到人们的广泛关注^［1-3］。量子点激光器具有低阈值电流密度、高特征温度、高增益分布、大调制带宽和长寿命等优点，展现出比量子阱激光器更加优越的性能^［4-10］。与量子阱相比，量子点对位错的敏感度也大大降低。位错在穿透量子阱或块状材料时，容易产生大量的非辐射复合中心。然而，对于量子点而言，穿透位错只能破坏几个量子点而不影响其他量子点，因此基于量子点器件的性能不会显著降低^［11-13］。InAs/GaAs量子点激光器是目前研究最为广泛的半导体量子点发光器件之一，它可以实现不含磷化物、氮化物和锑化物的1.3 μm重要光纤通信窗口的激射，在光通讯应用中具有很大潜力。InAs和GaAs两种单晶的晶格失配为7.2%，因此在GaAs上生长InAs易于实现 Stranski-Krastanov（SK）生长模式^［14］，并且InAs量子点材料与GaAs材料体系的兼容性好。自1994年第一个基于应变自组装生长模式的 InAs/GaAs量子点激光器研制成功以来^［15］，在器件性能和工作波长范围的研究都取得了长足的进步。近年来，InAs量子点在单光子领域的应用也取得了重要进展^［16］。

利用分子束外延（MBE）技术在GaAs上直接生长InAs量子点很难把量子点发光波长拓展至1.3 μm^［17］。有源区采用InAs DWELL（dot-in-well）结构减小了量子点周围的势垒和应力分布，可以将InAs量子点的发光波长拓展至1.3 μm。InAs量子点激光器的性能受到很多方面的影响，因此对生长条件的优化是很重要的一环。目前对不同的生长温度、量子点厚度、有源区层数、In生长速率等已经有了很多的研究^［18-20］，但是对有源区掺杂的研究还较少。有源区掺杂对激光器性能有很大影响，对其进行细致研究很有必要。

本文利用分子束外延技术在GaAs衬底上生长了不同的InAs DWELL量子点激光器结构。研究有源区Be掺杂对激光器性能的影响，结果表明对有源区进行Be掺杂可以有效降低InAs量子点激光器的阈值电流密度，提升激光器的输出功率，增加激光器的温度稳定性。

1　实验

使用DCA固态源III-V分子束外延系统在4英寸n⁺ GaAs（100）衬底上生长了InAs量子点激光器结构，激光器结构示意图如图1所示。先在GaAs衬底生长1 μm厚度的N型GaAs缓冲层，继续生长1 μm厚度的AlGaAs 势垒层。然后以6个周期的AlGaAs/GaAs 超晶格层作为过渡，其中AlGaAs和GaAs的厚度均为2 nm。随后生长70 nm厚度的GaAs波导层，GaAs和AlGaAs的生长温度均为730 ℃（热偶温度读数）。GaAs基InAs量子点激光器结构为分离限制层异质结构，有源区采用5层InAs DWELL结构。从下至上包括2 nm的In_0.15Ga_0.85As 应变缓冲层（Strained Buffer Layer，SBL），2.7 ML的InAs量子点，6 nm的In_0.15Ga_0.85As 应变释放层（Strained-Reducing Layer，SRL），其中In的生长速率为0.1 ML/s，Ga的生长速率为0.57 ML/s，含In层的生长温度均为620 ℃。在多层InAs DWELL结构中，用 GaAs 作为空间隔离层，厚度为50 nm，生长温度为730 ℃。本文通过在隔离层中引入Be作为掺杂剂，生长了两种不同的InAs量子点激光器并对其性能进行了测试分析与比较。其中，Be的掺杂温度为740 ℃，掺杂浓度为7.7×10¹⁶ cm^-3。

图 1. GaAs基InAs量子点激光器结构示意图

Fig. 1. The schematic diagram of GaAs based InAs quantum dot laser structure

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GaAs基InAs量子点激光器的工艺采用标准的光刻和刻蚀工艺。刻蚀至有源区上层的GaAs波导层制作脊条，然后沉积200 nm的SiN_x。继续在脊条上的上电极GaAs接触层用反应离子刻蚀（RIE）去掉SiN_x开好窗口，沉积Ti/Pt/Au形成P型欧姆接触，然后将GaAs衬底减薄至150 μm，沉积GeAu/Ni/Au后退火形成N型欧姆结接触。图2给出了典型的脊条宽度为3 μm的量子点激光器的截面扫描电镜（SEM）图。对激光器的性能进行测试时，使用集成了温控的Thorlabs ITC4020电流源对激光器进行温度控制和电流调节，光谱测试采用Thermo Nicolet iS50傅里叶光谱仪，利用Thorlabs S145C InGaAs探测器进行激光器功率测试，使用Veeco公司的Multimode Nanoscope III SPM设备测量了量子点样品的表面形貌。

图 2. GaAs基InAs量子点激光器截面SEM图

Fig. 2. Cross section SEM of InAs quantum dot laser on GaAs

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2　结果与讨论

GaAs基未掺杂和Be掺杂InAs量子点激光器材料的光致荧光谱（PL）测试结果如图3所示。未掺杂与Be掺杂量子点激光器材料的PL光谱的半峰宽分别为50.25 nm和46.71 nm。与未掺杂量子点相比，Be掺杂InAs量子点的PL强度明显增强，半峰宽也更窄，这与后续器件的性能测试结果一致。

图 3. GaAs基未掺杂和Be掺杂InAs量子点激光器的PL光谱，插图：InAs量子点2×2 µm² AFM图像

Fig. 3. The PL spectra of GaAs-based undoped and Be-doped InAs quantum dot lasers，Inset：a 2×2 µm² AFM image of InAs quantum dots

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为了检验生长的量子点结构的质量，我们在生长量子点激光器材料时生长了InAs量子点结构测试片，测试片在生长 InAs DWELL结构后，在表面沉积了一层InAs 量子点用于原子力显微镜（AFM）的测试。有源区Be掺杂对表面的量子点影响不大，量子点形貌与大小没有明显区别，图3的插图给出了掺杂样品表面生长2×2 µm² InAs量子点的AFM图像。从图中可以看出，InAs 量子点排列紧密，边界清晰，量子点密度达到4×10¹⁰ cm^-2，表明成功地生长了质量高的量子点结构。

典型GaAs基未掺杂和Be掺杂InAs量子点激光器的IVP曲线如图4所示。当温度为20 ℃时，未掺杂和Be掺杂激光器的阈值电流密度分别为116 A/cm²和100 A/cm²，这表明Be掺杂可以降低激光器的阈值电流密度。这是由于隔离层Be掺杂产生的耗尽区势垒发生变化，可以提高空穴的空间限制，有效地将载流子限制在有源区之中，从而降低激光器激射所需要的阈值电流。随着温度的升高，激光器的斜效率逐渐减小。当温度大于100 ℃时，激光器的性能迅速下降。这是因为随着温度升高，会增加填充介质的损耗，而且载流子散射加剧，使得能够转化为光子的电子-空穴对的数目减少，基态强度变小，光的损耗抵消了更多的增益，使得净增益变小，导致激光器的性能下降。注入电流增加至500 mA时，Be掺杂InAs量子点激光器的输出功率能够到达75 mW，比未掺杂InAs量子点激光器的输出功率高了14 mW。

图 4. 连续工作模式下GaAs基InAs量子点激光器的IVP特性曲线：（a）未掺杂，（b）Be掺杂

Fig. 4. The IVP characteristic curves of GaAs-based InAs quantum dot laser in CW mode：（a）undoped，（b）Be-doped

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对腔长为4 mm，脊条宽度分别为10 μm和50 μm的两种不同的激光器进行了最大输出功率的测试，测试结果如图5所示。脊条宽度为10 μm时，未掺杂和Be掺杂激光器的最大输出功率分别为75 mW和146 mW。脊条宽度为50 μm时，未掺杂和Be掺杂激光器的最大输出功率分别为102 mW和183 mW。由于Be掺杂能够促进空穴的扩散，为InAs量子点激光器带来了更高的基态模式增益。另外，在Be掺杂后多层量子点有源区的增益分布更加一致，提高了总的增益，从而使整体的光电转换效率得到提升，因此增大了激光器的输出功率^［21］。同时，Be的掺入会使导电性增强，降低激光器的电压，提升斜效率。Be掺杂InAs量子点激光器的工作温度可以高达130 ℃，大大提高了量子点激光器的工作温度，这是由于Be的掺入可以抑制空穴在其紧密间隔的能级上的热增宽^［22］。

图 5. 连续工作模式下不同条宽GaAs基InAs量子点激光器的IP特性曲线：（a）10 μm，（b）50 μm

Fig. 5. The IP characteristic curves of GaAs-based InAs quantum dot laser with different ridge widths in CW mode：（a）10 μm，（b）50 μm

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InAs量子点激光器具有良好的温度稳定性，在温度20 ℃下激光器发射光谱随注入电流的变化如图6所示。对于未掺杂的激光器，注入电流为50 mA和400 mA时，激发波长分别为1 290.7 nm和1 298.1 nm，波长随注入电流变化的红移速度为0.021 nm/mA。对于Be掺杂的InAs激光器，当注入电流为50 mA和500 mA时，激发波长分别为1 280.0 nm和1 288.2 nm，波长随注入电流变化的红移速度为0.018 nm/mA。这表明随着注入电流的增加，Be掺杂对激发波长的影响并不大，电流注入带来的发热效应不明显。

图 6. 20 ℃时GaAs基InAs量子点激光器发射光谱随注入电流的变化：（a）未掺杂，（b）Be掺杂

Fig. 6. The emission spectra of GaAs-based InAs QD laser with different injection currents at the temperature of 20 ℃：（a）undoped，（b）Be-doped

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在注入电流为350 mA时量子点激光器的发射光谱随温度的变化如图7所示。对于未掺杂的InAs激光器，温度为20 ℃和100 ℃时，激发波长分别为1 295.1 nm和1 336.8 nm，波长随温度变化的红移速度为0.521 nm/K。对于Be掺杂的InAs激光器，温度为20 ℃和100 ℃时，激发波长分别为1 285.6 nm和1 324.1 nm，波长随温度变化的红移速度为0.481 nm/K。Be掺杂的量子点激光器的发光光谱表现出较低的温度依赖性，这表明Be掺杂会降低温度升高对波长红移的影响，Be掺杂InAs量子点激光器具有更好的温度稳定性，这在随后的特征温度的对比中也得到了印证。这主要是由于在距离较近的空穴能级中，Be的掺入改善了高温对空穴的热破坏，显著抑制了量子点和它们周围的势垒之间的相互扩散。在Be掺杂的材料中，Ga空位的浓度较低，导致In与Ga之间的互扩散减少^［23］。

图 7. 注入电流350 mA时GaAs基InAs量子点激光器发射光谱随温度的变化：（a）未掺杂，（b）Be掺杂

Fig. 7. The emission spectra of GaAs-based InAs QD laser with different temperatures at the same injection current of 350 mA：（a）undoped，（b）Be-doped

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激光器的温度稳定性是衡量激光器性能的重要指标之一。半导体激光器的阈值电流与温度成指数关系^［24］：

式（1）中，T₀为激光器的特征温度，其数值越大表明激光器阈值电流随着温度的变化就越小。实验测量的量子点激光器阈值电流能密度随温度的变化曲线如图8所示，通过拟合得到未掺杂和Be掺杂InAs量子点激光器的特征温度分别为47.6 K和53.8 K。与未掺杂的量子点激光器相比，Be掺杂的激光器的特征温度有所提高，这表明Be的掺入可以提高InAs量子点激光器的温度稳定性。InAs量子点自身价带空穴能级间隔（10 meV）小于室温热激发能级（25 meV），随着温度的升高，空穴将从基态不断向更高能级的激发态跃迁，进而降低载流子辐射复合几率，导致激光器的增益随着温度的升高而明显减小^［25］。在量子点附近的势垒层中进行p型掺杂，能给量子点价带能级提供额外的空穴，会有效地抑制由热激发引起的热空穴能级展宽。

图 8. GaAs基InAs量子点激光器特征温度的变化曲线

Fig. 8. The characteristic temperature curves of GaAs-based InAs quantum dot laser

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3　结论

利用分子束外延技术在GaAs（100）衬底上成功制备了1.3 μm波段的 InAs/GaAs量子点激光器。在室温连续工作模式下，对未掺杂和Be掺杂InAs量子点激光器的输出性能、光谱性能和温度稳定性进行了测试分析与比较。与未掺杂的激光器相比，Be掺杂可以有效地降低激光器的阈值电流密度到100 A/cm²，增大激光器的输出功率到183 mW，最高工作温度可以提高到130 ℃，激光器具有更好的温度稳定性。这对InAs量子点激光器在高速光纤通信领域的应用具有重要意义。