消除InAs/GaAs量子点双峰尺寸分布实现1.3 μm量子点激光器

摘要

有源层工程的最新进展显著提升了半导体量子点(QD)激光器性能。在GaAs衬底上自组装生长的InAs QD是1.3 μm激光器的领先平台，但双峰尺寸分布的存在阻碍均匀性和器件良率。本研究表明，680°C单层高温退火有效抑制双峰尺寸，产生光致发光(PL)线宽窄(< 26 meV)且密度均匀(3.2×10¹⁰ cm⁻²)的QD。所得法布里-珀罗(F-P)激光器在连续波运行下于1.3 μm实现低阈值电流密度110 A cm⁻²。

引言

首个1.3 μm QD激光器问世已十年，但生长技术的实质性进展直到近期才释放其全部潜力。高密度、良好可控的QD对低功耗、高温、高速运行至关重要，使InAs/GaAs体系成为下一代光互联的主要候选。然而，InAs和GaAs间约7%的巨大晶格失配常产生双峰尺寸分布，展宽发射光谱并降低激光器性能。消除这种尺寸双峰性对实现高质量、低阈值器件至关重要。

分子束外延(MBE)在GaAs(001)上生长InAs遵循Stranski-Krastanov(SK)机制，形成可通过沉积速率和生长温度调控的三维岛。常规策略——高InAs通量和低衬底温度——虽提高量子点密度但引入晶格缺陷，降低PL强度。相反，生长后单层退火可修复缺陷、均匀化量子点尺寸并提升覆盖层结晶质量，本工作即予以证明。

材料优化

所有样品在Veeco Gen 930 MBE系统中于GaAs(001) (N+)衬底上生长。四个测试晶圆(N170813, N170824A-C)分别在630、680、730和780°C退火，生长参数相同(表1)。

光致发光测量显示680°C时PL强度最强(图1)。退火温度升高促进过量As和Ga脱附，减少表面缺陷同时保持QD晶格完整性。

关键生长参数经优化：砷压力设为4×10⁻⁷ Torr，InAs沉积速率0.025 ML s⁻¹。在520°C生长2.5 ML InAs层，覆盖5 nm In₀.₁₅Ga₀.₈₅As，随后520°C生长15 nm GaAs和最终630°C生长20 nm GaAs层(图2a)。

退火样品AFM成像(图3a)显示均匀QD密度3.2×10¹⁰ cm⁻²，平均高度8 nm。对比未退火样品(图3b)呈现双峰分布(5-7 nm)且密度较低2.9×10¹⁰ cm⁻²。

退火不仅均匀化量子点尺寸，还修复GaAs覆盖层，减少本会传播进QD层的位错。所得1.3 μm发射光谱变窄，PL峰值1308 nm，半高全宽31 nm。

器件设计与制备

激光器结构由五层InAs QD夹在1.8 µm Al₀.₄₅Ga₀.₅₅As波导层间组成(n型Si: 2×10¹⁸ cm⁻³, p型Be: 4×10¹⁸ cm⁻³)。200 nm p⁺ GaAs(Be: 3×10¹⁹ cm⁻³)层提供低电阻接触(图4a)。

外延后上包层化学变薄(H₃PO₄-H₂O₂-H₂O 1:1:4)。此步骤因更高生长温度(650°C)和In₀.₁₅Ga₀.₈₅As覆盖层铟漂移将PL峰值移至1294 nm。

光刻定义100 µm脊波导，ICP刻蚀至2 µm，260 nm SiO₂(PECVD)绝缘。开90 µm接触窗注入电流，正面溅射Ti/Pt/Au(51/94.7/1122 nm)电极。衬底磨薄至120 µm；背面蒸发50 nm AuGeNi(80:10:10 wt%)合金和300 nm Au作n型电极。460°C, 10 s退火形成欧姆接触。

室温下连续波测量电光性能。器件展现阈值电流密度110 A cm⁻²，激光波长中心在1.3 µm(图6)。激光峰相对PL的红移归因于运行时自热。无需面包层或有源区掺杂，凸显单层退火实现的高结晶质量。

结论

通过系统优化生长和退火条件，我们成功消除了InAs/GaAs QD的双峰尺寸分布。QD层上方20 nm处680°C单层最优退火产生均匀量子点集合和高密度3.2×10¹⁰ cm⁻²。所得1.3 µm法布里-珀罗激光器在室温连续波运行下实现低阈值电流密度110 A cm⁻²，证明该方法对高性能QD激光器应用的可行性。

缩写

AFM:

原子力显微镜

Annealing T:

退火温度

CW:

连续波

F-P:

法布里-珀罗

FWHM:

半高全宽

Growth T:

生长温度

HT:

高温

LT:

低温

MBE:

分子束外延

PL:

光致发光

QD:

量子点

RT:

室温

SEM:

扫描电子显微镜

WPE:

墙插效率