量子级联激光器的制作

　　1 引言1 2材料生长与性能表征12-1223

　　近年来 ， GaA s/ Al GaA s 成为继 In P/ In GaA s/

　　InAlA s 之后制作量子级联激光器［ 1 ］ 最具吸引力的

　　材料体系。 这主要来源于三个方面： （1） GaA s 作为继 Si 之后的半导体材料 ，处理工艺相当成熟 ，并且由于 GaA s/ Al x Ga1 - x A s 材料体系在宽成分范围内的晶格匹配特点 ，使得 GaA s 基量子级联激光器在器件设计方面具有独特的灵活性; （2） 易于获得无铝

　　的低损耗波导［ 2 ］ ; （3） 能够在远红外范围获得粒子数

　　反转 ，在 T Hz 量子级联激光器研制方面扮演着重要角色。 尽管具有以上的优点 ，目前 GaA s/ Al GaA s 量

　　子级联激光器的性能还远不如 In P/ In GaA s/ InA2

　　lA s 基器件。 GaA s/ Al GaA s 材料体系较小的带阶

　　（ band off set ） 容易造成载流子的热激活泄漏 ，降低

　　电子向有源区激发态能级的注入效率 ，从而限制了

　　器件的连续波工作温度。 GaA s 较 In P 小的热导率不利于波导核的热耗散 ，易于造成波导核的自加热效应而增强了载流子的热激活泄漏过程。 为满足光

　　学限制的要求 ， 无铝波导层的厚度往往需要超过

　　4μm ，使得整个外延层厚度超过 10μm ，接近了分子

　　束外延的极限 ， 从而造成材料生长困难。 由于

　　GaA s/ Al GaA s 量子级联激光器研制的这些困难 ，

　　目前只有法国、奥地利、英国、德国等少数几个国家

　　进行这方面的工作。

　　实验样品是基于通常的三耦合量子阱有源区结构 ，类似于文献［ 3 ］ 。 材料体系选择为 GaA s/ Al0145 2

　　Ga0155 A s. 具体的生长层次见图 1 。 图 2 为计算所得

　　的工作电压下波导核的导带结构及相应波函数模的

　　平方。 波导核的具体结构见图 2 注释部分。 所有的层通过分子束外延单生长步骤在 n 型掺杂的 GaA s 衬

　　底上完成。 高掺杂的 GaA s 波导层用于降低平面光学限制所必需的折射系数。 插入的 31 75μm 低掺杂

　　（4 ×1016 cm - 3 ） GaA s 层用来减小光学模与 n + + 层的

　　交叠系数 ，从而避免过高的波导损失［ 2 ］ 。 为了防止注入区电子回流上一级有源区并且保证注入条件下的

　　电荷电中性 ，超晶格注入区中间的两个周期进行了

　　掺杂（ （6～7） ×1017 cm - 3 ） ［ 4 ］ 。

　　

　　GaAs6 ×1018 cm - 3 1μm

　　GaAs4 ×1016 cm - 33 75μm

　　30 周期波导核

　　GaAs4 ×1016 cm - 3175μm

　　3

　　GaAs6 ×1018 cm - 3 1μm

　　GaAs subst rate2 ×1018 cm - 31

　　图 1 GaAs/ Al GaAs 量子级联激光器分子束外延生长结构简

　　图

　　Fig11 Schematic cro ss section of co mplete GaAs/ Al2

　　GaAs laser st ruct ure grown by MB E

　　3 国家自然科学基金（ 批准号： 60136010 ） ， 国家高技术研究发展计划 （ 批准号： 2001AA311140 ） ， 及国家重点基础研究发展规划 （ 批准号：

　　G20000683202）资助项目

　　-通信联系人。 Email ：f qliu @red. semi 。 ac. cn

　　22 ○c 2005 中国电子学会

　　2005 02 03 收到

　　第 3 期 刘俊岐等 ： GaAs/ Al GaAs 量子级联激光器 625

　　

　　图 2 在正向偏压下导带结构及相关波函数模的平方 每一

　　

　　级层次序由注入势垒开始 ， 分别为： 4 6 ， 1 9 ， 1 1 ， 5 4 ， 1 1 ，

　　418 ，21 8 ，31 4 ，11 7 ，310 ，118 ，218 ，210 ，310 ，216 ，31 0nm ，粗体为

　　垒 ，白体为阱 ，下划线的部分掺杂浓度为（6～7） ×1017 cm - 3 。

　　Fig. 2Conductio n band diagram and2

　　squared wave

　　f unctio ns under po sitive bias co ndition2

　　The layer se

　　quence in o ne stage starting f ro m t he injection barrier is

　　111 11111111

　　4 6 ，1 9 ， 1 1 ， 5 4 ， 1 1 ， 4 8 ， 2 8 ， 3 4 ， 1 7 ， 3 0 ， 1 8 ，

　　1111111bold script are barrier ，

　　2 8 ，2 0 ，3 0 ，2 6 ，3 0nm The

　　normal script wells ，and underscore doped regio ns（6

　　7） ×1017 cm - 3 11111～

　　样品的 X 射线衍射摇摆曲线如图 3 所示。 卫星峰具有良好的周期性和窄的线宽 ，这表明样品在外延生长方向的成分梯度可以忽略并且界面质量良

　　好［ 5 ］ 。 每一级的周期可通过以下方程［ 6 ］ 获得 ，

　　Λ = （ ni - nj ）λ ≈ （ ni - nj ）λ

　　2 （ sinθi - sinθj） 2Δθco sθi

　　这里 λ为所用 X 射线的波长; ni 和 n j 为两个不同指纹的峰位;θi 和θj 为卫星峰的角位置。 计算表明Λ

　　

　　图 3 GaAs/ Al0145 Ga0155 As 量子级联激光器波导核 X 射线衍

　　射结果

　　Fig1 3 X2ray diff ractio n spect ra for a 30 period GaAs/

　　Al0145 Ga0155 As quant um cascade laser waveguide co re

　　的实验值基本符合设计值。 我们把图 3 中央的两个相邻的主峰看作衬底峰和一个周期内具有平均成分

　　的层峰 ，则波导核中势垒层的 Al 摩尔组分接近设

　　计值。

　　3 器件的制作与测量结果分析

　　样品通过光刻和湿法化学腐蚀做成具有不同脊

　　宽的双沟脊型波导结构（条宽分别为 35 ，45 ，55μm）

　　刻蚀深度穿透波导核。 利用 CVD 法生长 300nm 的

　　SiO2 作为脊周围的绝缘层。 在脊区的中部开出电流

　　注入窗口 （宽度分别为 15 ，25 ，35μm） ， 然后蒸发非

　　合金的 Ti/ Au 作为正面欧姆接触。 样品从背面减薄至 100μm ，淀积合金的 A u Ge/ Ni/ Au 作为背面欧姆接触。 器件解理成 2 ～3mm 长的法布里2贝罗腔结

　　构。 考虑到级联激光器的阈值电流密度较高 ，我们采用了上电极引线的多重压焊和外延面朝下芯片焊接

　　技术。

　　测量过程中 ，激光器管芯安装在液氮杜瓦内的冷指上 ，其温度可以控制。 光谱测量在 BRU KER E2

　　Q U INO X55 型红外傅里叶变换光谱仪上进行 ，采用

　　时间分辨步进扫描模式。 光功率测量使用了已校准

　　的热电探测器。

　　图 4 为光功率2注入电流曲线 ，其中的插图为器件的光谱。 图 4 中的光功率未进行收集效率的修正 ，

　　在我们的实验中收集效率小于 30 %.

　　

　　图 4 宽 35μm 长 2mm 的激光器在脉冲驱动模式下的光功率

　　电流曲线 占空比为 2μs/ 200μs. 插图为激射谱.2

　　Fig14 Optical outp ut power per facet versus t he driv2 ing current in p ulsed mode operation of a 35μm wide and 2mm long laser The duty cycle is 2μs/ 200μs1 The insert is t he lasing spect rum of t he laser 。

　　626 半 导 体 学 报 第 26 卷

　　

　　工艺方面的改善将进一步提高器件的性能。 由

　　于 GaA s/ Al GaA s 量子级联激光器的波导核区平行于层方向的热导率比垂直方向高一个数量级［ 7 ］ ，增

　　加淀积 A u 的厚度或者采用离子注入而不是湿法刻蚀来定义条形结构将会提高器件的横向散热 ，这必

　　然会大大减少注入区载流子的热激活 ，从而提高注

　　入效率 ，改善器件工作的温度特性和功率输出特性 ，

　　这一工作正在进行中。

　　4 结论

　　在国内首次利用分子束外延技术成功地生长出

　　了 GaA s/ Al GaA s 量子级联激光器材料。 长 2mm 脊

　　宽 35μm 的条形激光器在 5k Hz 、1 %占空比的脉冲电流驱动下最高工作温度为 120 K ，81 K 未经修正的

　　峰值功率超过 70mW.

　　致谢 在材料生长过程中 ， 得到李路、梁凌燕的协助; X 射线衍射实验在北京同步辐射站进行 ，得到郭立平、贾全杰二位老师的帮助;在器件工艺方面得到常秀兰、梁平、胡颖、孙虹的大力帮助 ，在此一并表示

　　感谢 ！

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　　Ga As/ Al Ga As Quantum Cascade Lasers

　　Liu J unqi ， L u Xiuzhen ， Guo Yu ， Liu Fengqi ， and Wang Zhanguo

　　（ L aboratory of S emicon d uctor M ateri als S cience ， I nstit ute of S emicon d uctors ， Chi nese A ca dem y of S ciences ， B ei j i n g 100083 ， Chi na）

　　Abstract ： Growt h of quant um cascade lasers based on GaAs/ Al0 45 Ga0 55 As and operating at a wavelengt h of 9μm is reported.

　　22 2

　　Fo r a 2mm cavity lengt h and 35μm ridge waveguide widt h ，quasi co ntinuous wave operation at 120 K is achieved and o utp ut opti

　　cal power wit hout co rrection at 81 K mo re t han 70mW is demonst rated. 3

　　Key words ： quant um cascade laser ;molecular beam epitaxy ;active region ;injector

　　PACC ： 6855 ; 4255 PEEACC ： 4320J ; 2520D11-

　　222

　　Article ID ： 0253 4177（2005） 03 0624 03

　　3 Project supported by National Nat ural Science Foundation of China （ No 。 60136010） ， National High Technology Research and Develop ment Program of China （ No 。 2001AA311140） ，and State Key Develop ment Program for Basic Research of China （ No 。 G2000068322）

　　- Email ：f qliu @red1 semi1ac1cn

　　Received 3 February 2005c

　　○ 2005 Chinese Instit ute of Elect ronics