摘要：英国和法国的研究人员宣称，在（001）磷化铟（InP）衬底上的C/L波段砷化铟（InAs）量子点激光器中实现了每层量子点（QD）的最低阈值电流 [Jae-Seong Park et al, Optics Express, v33, p19158, 2025]。
英国和法国的研究人员宣称，在（001）磷化铟（InP）衬底上的C/L波段砷化铟（InAs）量子点激光器中实现了每层量子点（QD）的最低阈值电流 [Jae-Seong Park et al, Optics Express, v33, p19158, 2025]。
由英国的伦敦大学学院、卡迪夫大学和法国的格勒诺布尔阿尔卑斯大学联合而成的团队报告称：“在脉冲注入条件下，制造出的七叠层解理面激光器（15μmx2000μm）显示出每层量子点69A/cm2的创纪录低阈值电流密度（Jth），低于以往报道的（001）InP上C/L波段InAs/InP量子点激光器的数值，并达到了130°C的最高工作温度。”
据称，130°C的最高温度也是（001）InP上的解理面InAs/InP量子点激光二极管迄今为止所达到的最高温度。相邻的常规（C）和长波长（L）光纤通信波段分别覆盖1530-1565-1625nm范围。
研究人员评论道：“由于人工智能和机器学习应用的最新进展进一步加速了数据流量需求的持续增长，开发高性能、可靠的C/L波段半导体激光器作为光源对于光通信系统而言至关重要。”
研究人员希望将自组装量子点而非量子阱用作光学增益介质，从而制造出阈值更低、热稳定性更好的激光二极管。然而，相对于适合“原始”（O）波段（1260-1360nm）激光二极管的InAs与砷化镓（GaAs）之间较高的晶格失配（7.2%），InAs与InP之间的晶格失配较低（3.2%），因此在一定程度上抑制了量子点的形成。InAs/GaAs组合的晶格失配较高，可减少量子点尺寸的分散，从而改善激光二极管的性能参数。
激光二极管的分子束外延（MBE）结构是在掺硫n-InP衬底上生长的（图1）。主要波导层包含晶格匹配的砷化铟铝镓材料：In0.524Al0.476As和In0.528Al0.238Ga0.234As，生长温度分别为500°C和485°C。在n型底层，材料中掺入了硅（Si）。在p型顶层，材料中掺入了铍（Be）。
图1：（a）InAs/InP量子点激光器的外延方案。（b）7层InAs/InP量子点激光材料的室温（RT）光致发光（PL）光谱。（c）无覆盖的InAs/InP量子点的原子力显微镜（AFM）图像。
在InAlGaAs层上生长七层量子点时，首先在485°C下添加6.8单层（ML）InAs。在砷压下进行10秒的生长中断后，形成的量子点尺寸分散减少。
首先用2nm的应变In0.359Al0.323Ga0.318As覆盖量子点，然后在砷超压下将温度升至515°C并持续3分钟。接着在485°C下生长第二个33 nm In0.528Al0.238Ga0.234As覆盖层/间隔层。
研究人员评论道：“这种铟冲洗技术通过调控量子点周围的形貌和应变，确保了量子点的高质量堆叠。”
利用MBE依次制备掺Be的InAlGaAs、InAlAs和10nm In0.532Ga0.468As。最后的保护层减少了样品在转移到金属有机化学气相沉积（MOCVD）设备过程中的氧化，后续在该设备中生长了掺锌（Zn）的InP包层以及InGaAs接触层。
研究人员将这种材料制成了脊宽为15μm的法布里-珀罗激光二极管。刻蚀后的脊用400nm二氧化硅（SiO2）进行钝化。p型电极由钛/金组成。n型金属接触沉积在晶圆背面，由镍/金-锗/镍/金多层结构组成。样品在380°C下退火，使金属/半导体界面产生欧姆接触。激光腔的长度是通过解理确定的。解理面没有覆膜。
腔长为2000μm的激光二极管实现了483A/cm2的最低阈值脉冲电流密度。这相当于每层量子点的电流密度为69A/cm2。研究人员认为，在解理面上施加高反射率涂层可以进一步降低阈值。研究小组表示，该器件可在高达130°C的温度下继续作为激光器工作，这是“迄今报道的（001）InP上的解理面InAs/InP量子点激光器的最高工作温度”。同样，解理面覆膜也可以提高工作温度，其他激射温度超过130°C的报道也证明了这一点。
腔长较短的1000μm和500μm激光二极管的最高温度略低，为120°C。
表1：阈值电流（T0）和斜率效率（T1）的特征温度。
研究人员计算了20-70°C和70-110°C温度范围内的特征温度（表1）。特征温度越高，表明相关参数、阈值电流和斜率效率的热稳定性越好。研究人员认为，短腔激光二极管在较高温度下T0显著降低，主要原因是“镜面损耗提高，导致载流子密度提高，从而加剧了非辐射复合，并减少了散热”。
研究团队评论道：“在较低温度（20-70°C）下，由于镜面损耗较低且载流子泄漏较少，长腔器件表现出更高的T1值，从而更好地保持着斜率效率。然而，在较高温度（70-110°C）下，腔长最长（2000μm）的激光二极管的T1值出现明显下降，表明斜率效率明显下降。主要原因是热激活载流子从量子点中逸出，这对腔长更长的器件损害更大，因为其载流子密度本身较低。”
500μm激光二极管T1值的显著下降显然与“镜面损耗过高有关，这大大提高了载流子密度，导致非辐射复合加剧”。研究团队补充道：“这种机制成为高温下短腔器件T1下降的主要原因，与主要影响长腔器件的热载流子逸出形成了鲜明对比。”
腔长分别为2000μm、1000μm和500μm时，室温下的峰值波长分别为1624nm、1613nm和1592nm（图2）。在腔长较短的器件中，向较短波长蓝移的原因是“较高的镜面损耗导致对阈值增益的要求升高，这就迫使器件在较短波长处优先发生激射，而在较短波长处，量子点组合能提供较高的增益”。
图2：（a）注入电流为1.1xIth时的室温激射光谱；（b）腔长为2000μm、1000μm和500μm时，器件的峰值激射波长随温度的变化。
研究人员评论道：“短腔器件的温度灵敏度降低可归结为两个因素：（i）由于纵模间距增大，模式跳变受到抑制，这相对稳定了波长偏移，只留下带隙收缩和温度引起的折射率变化所产生的主要本征红移；（ii）由于镜面损耗提高，阈值增益要求升高，较小尺寸量子点和/或高阶跃迁的影响增强。”
该团队还报告称，腔长3000μm的激光二极管实现了440A/cm2的阈值，即每层量子点达到63A/cm2，但代价是最高工作温度降至110°C，同时“在温度引起的波长偏移中出现了模式跳变现象——即热不稳定性与光谱不稳定性”。
对室温连续波（CW）工作的初步研究表明，在腔长为2000μm的激光二极管中，每层量子点的阈值达到187.1A/cm2。峰值波长偏移为0.76nm/K，最高工作温度为35°C。
来源：雅时化合物半导体
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来源：CSC化合物半导体
