分子束外延生长高速直接调制1.3 μm InAs/GaAs量子点激光器

杨 涛,季海铭,徐鹏飞

(中国科学院 半导体研究所,北京 100083)

0 引 言

家用计算机的普及和网络生活的日益丰富促进了高速光通信网络的迅猛发展,而作为光信号发生器的长波长半导体激光器对光通信系统的升级起着至关重要的作用。目前应用的1.3 μm通讯波段半导体激光器主要是InP基量子阱激光器,但这类激光器的一个缺点是输出受温度影响大,实际应用中需要增加补偿回路或冷却装置,导致器件成本和功耗明显增加,并且不利于与其它器件集成。自组织1.3 μm InAs/GaAs量子点激光器由于低成本、低功耗、可高速直接调制等优势近年来一直备受关注,有望作为下一代光纤通信局域网系统的信号光源,满足日益增长的光线到户市场需求[1]。虽然理论计算表明量子点激光器的3 dB调制带宽可以达到40 Gb/s,但世界上仅有少数几个研究小组报道了10 Gb/s直接调制的1.3 μm InAs/GaAs量子点边发射激光器[2-5]。量子点激光器外延片的质量对器件的性能起着决定性的作用。自从第一支1.3 μm InAs/GaAs量子点激光器诞生以来[6],相关研究小组对量子点以及量子点器件的生长过程进行了许多优化[7-13]。然而,由于半导体材料外延过程中复杂的动力学过程以及不同生长参数相互之间的影响,很难做到将一台外延设备的生长条件移植到另一台设备上去,因此需要对量子点材料的生长条件进行系统优化,从而实现高性能的量子点激光器。

本文采用分子束外延设备 (MBE)对量子点的生长温度以及量子点的叠层生长进行了研究,在此基础上外延并制作了1.3 μm InAs/GaAs量子点激光器,对器件的激射特性、温度特性和调制特性进行了测试和分析。

1 实 验

采用Veeco Gen II MBE在半绝缘GaAs(100)衬底片上生长了不同条件和结构的量子点样品。首先将衬底升温至580℃脱附表面氧化层,在As2的氛围下淀积250 nm厚的GaAs缓冲层。再将衬底降温至455℃或485℃后,淀积2.3个单分子层 (ML)InAs以形成InAs量子点,As2和In的V/III比约为 80。随后在量子点上覆盖4 nm In0.17Ga0.83As应力缓冲层和100 nm GaAs隔离层。最后以相同的生长条件生长一层表层量子点,用于原子力显微镜 (AFM)的测量。为了研究叠层量子点的生长情况,我们分别生长了包含1、3、5层埋层量子点的结构片,InAs量子点层之间为 40 nm GaAs隔离层。量子点样品的发光性质通过光致荧光谱(PL)来表征,泵浦光源采用氦氖激光器 (632.8 nm),荧光信号收集装置为Jobin Yvon iHR 320光谱仪和InGaAs阵列探测器。表层量子点的形貌信息通过NT-MDT Solver P47原子力显微镜得到。

在生长优化基础上,我们在50.8 mm n+GaAs(100)衬底上外延生长了激光结构。在P型和N型各 1.4 μm Al0.4Ga0.6As限制层之间生长 I-nAs/GaAs量子点结构有源区,有源区包含5层量子点结构以及两侧各70 nm厚的GaAs波导层。将生长的外延片进行后工艺处理制作成条宽4 μm、腔长600 μm的脊形波导激光器,并在前后腔面分别蒸镀功率反射率为95%和60%的高反膜。通过室温以及10～100℃激光器的光功率-电流曲线研究器件的激射特性。器件的高速调制特性通过大信号眼图测试进行分析,测试系统由 Advantest D3186脉冲信号发生器、Agilent 11982A光探测器、Tektronix CAS8000通信信号分析仪组成。

2 结果与讨论

图1是不同生长温度下InAs/GaAs量子点的原子力显微镜形貌图,测量范围为2×2 μm2。在相同的InAs淀积量 (2.3 ML)下,455℃时形成的量子点的密度约为7×1010cm-2,平均径向尺寸约为30 nm。而在485℃下形成的量子点的密度约为3×1010cm-2,平均径向尺寸约为40 nm。高温下形成的量子点具有较低的密度和较大的径向尺寸,这可以归结于生长温度较高时In原子在外延层表面具有更大的扩散长度。虽然更高的量子点密度有助于量子点激光器获得更大的模式增益,但是从图1中可以看到,生长温度较低时会形成更多的尺寸较大的三维小岛。这些小岛通常包含缺陷成为载流子的非辐射复合中心,影响材料的光学质量[14]。因此,在InAs量子点的生长中需要尽量避免大尺寸三维小岛的形成。在2.3 ML InAs淀积量、V/III比约80的条件下,485℃生长的量子点更适用于激光器的有源区。

图1 不同生长温度(455℃和485℃)下InAs/GaAs量子点的2×2 μm2原子力显微镜形貌图Fig.1 AFM surface images(2×2 μm2)of InAs QDs deposited on GaAs at 485℃and 455℃,respectivel

进一步,我们研究了叠层量子点的生长情况。由于单层量子点的密度有限,量子点激光器结构通常采用叠层量子点来提高器件的模式增益[15]。然而由于InAs与GaAs存在7.1%的晶格失配,量子点堆叠层数较多会加剧应力的积累从而导致缺陷的产生。另一方面,量子点层数的加大会使有源区的厚度增加,导致有源区光场限制的减弱,影响激光器的模式增益[16]。因此,有必要对叠层量子点的生长进行研究,在不影响材料光学质量的前提下尽量增加量子点的堆叠层数。我们采用相同生长条件,在485℃下分别生长了包含1、3、5层埋层量子点的结构片,其室温PL谱见图2。量子点样品的荧光峰值强度随着堆叠层数的增加而上升,其中包含5层量子点的样品具有最大的荧光强度。5层量子点样品的荧光谱半高宽略有上升,主要是由于累积应力的存在使得各层量子点的生长环境发生变化,引起量子点尺寸分布变宽。综合比较,5层量子点可以有效提高态密度,有利于激光器模式增益的提高,适合作为激光器的有源区。

图2 不同堆叠层数InAs/GaAs量子点的室温光致荧光谱Fig.2 Room-temperature PL spectra from the QD samples with one,three and five QD stacks

在上述生长优化基础上,我们外延并制作了包含5层InAs/GaAs量子点的脊型波导激光器。器件的条宽为 4 μm,腔长为600 μm,前后腔面分别镀有反射率为95%和60%的高反膜。图3是器件在室温下的光功率～电流曲线、电压～电流曲线以及激射光谱。激光器的阈值电流约为5 mA,斜率效率约为0.16 W/A。在7 mA的电流注入下,器件的激射中心波长为1 293 nm。此外,在10～100℃范围内测试了器件连续注入模式下的光功率～电流曲线,见图4。激光器在100℃时仍能维持连续输出工作状态,表明器件具有较高的温度稳定性。

量子点激光器的高速调制性能对在实际光通信系统中的应用十分重要,我们采用大信号特性测试系统测试了1.3 μm InAs/GaAs量子点激光器的大信号调制响应。激光器为蝶形封装,器件管壳带有同轴RF转接头,器件总电阻约50 Ω。测试过程中激光器的偏置电流为60 mA,调制信号的幅度为2 V(峰峰值)。图5是在25℃、12 Gb/s调制速率下测得的InAs/GaAs量子点激光器的大信号调制响应眼图,实现了眼图的清晰张开,表明器件可以实现10 Gb/s以上的信号传输。

图5 12 G b/s调制速率下量子点激光器的眼图,测试温度为25℃,偏置电流为60 mA,调制信号的幅度为2 V(峰峰值)Fig.5 Eye pattern under 12 Gb/s modulation speed with a bias current of 60 mA and a modulation voltage of 2 Vp-p at 25℃

3 结 论

本文对InAs/GaAs量子点的生长温度和叠层生长进行了研究,在此基础上生长并制作了有源区包含5层InAs/GaAs量子点的脊型波导激光器。输出特性测试结构表明,器件的室温阈值电流为5 mA,激射中心波长位于1 293 nm,并且在10～100℃范围内均可实现连续激射。大信号调制眼图测试表明,激光器在25℃下可以实现12 Gb/s眼图的清晰张开。这为该器件在高速光通信系统中的应用打下了良好基础。

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