量子級聯(lián)激光器的制作

　　1 引言1 2材料生長與性能表征12-1223

　　近年來 ， GaA s/ Al GaA s 成為繼 In P/ In GaA s/

　　InAlA s 之后制作量子級聯(lián)激光器［ 1 ］ 最具吸引力的

　　材料體系。 這主要來源于三個方面： （1） GaA s 作為繼 Si 之后的半導(dǎo)體材料 ，處理工藝相當(dāng)成熟 ，并且由于 GaA s/ Al x Ga1 - x A s 材料體系在寬成分范圍內(nèi)的晶格匹配特點(diǎn) ，使得 GaA s 基量子級聯(lián)激光器在器件設(shè)計方面具有獨(dú)特的靈活性; （2） 易于獲得無鋁

　　的低損耗波導(dǎo)［ 2 ］ ; （3） 能夠在遠(yuǎn)紅外范圍獲得粒子數(shù)

　　反轉(zhuǎn) ，在 T Hz 量子級聯(lián)激光器研制方面扮演著重要角色。 盡管具有以上的優(yōu)點(diǎn) ，目前 GaA s/ Al GaA s 量

　　子級聯(lián)激光器的性能還遠(yuǎn)不如 In P/ In GaA s/ InA2

　　lA s 基器件。 GaA s/ Al GaA s 材料體系較小的帶階

　　（ band off set ） 容易造成載流子的熱激活泄漏 ，降低

　　電子向有源區(qū)激發(fā)態(tài)能級的注入效率 ，從而限制了

　　器件的連續(xù)波工作溫度。 GaA s 較 In P 小的熱導(dǎo)率不利于波導(dǎo)核的熱耗散 ，易于造成波導(dǎo)核的自加熱效應(yīng)而增強(qiáng)了載流子的熱激活泄漏過程。 為滿足光

　　學(xué)限制的要求 ， 無鋁波導(dǎo)層的厚度往往需要超過

　　4μm ，使得整個外延層厚度超過 10μm ，接近了分子

　　束外延的極限 ， 從而造成材料生長困難。 由于

　　GaA s/ Al GaA s 量子級聯(lián)激光器研制的這些困難 ，

　　目前只有法國、奧地利、英國、德國等少數(shù)幾個國家

　　進(jìn)行這方面的工作。

　　實(shí)驗(yàn)樣品是基于通常的三耦合量子阱有源區(qū)結(jié)構(gòu) ，類似于文獻(xiàn)［ 3 ］ 。 材料體系選擇為 GaA s/ Al0145 2

　　Ga0155 A s. 具體的生長層次見圖 1 。 圖 2 為計算所得

　　的工作電壓下波導(dǎo)核的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)及相應(yīng)波函數(shù)模的

　　平方。 波導(dǎo)核的具體結(jié)構(gòu)見圖 2 注釋部分。 所有的層通過分子束外延單生長步驟在 n 型摻雜的 GaA s 襯

　　底上完成。 高摻雜的 GaA s 波導(dǎo)層用于降低平面光學(xué)限制所必需的折射系數(shù)。 插入的 31 75μm 低摻雜

　　（4 ×1016 cm - 3 ） GaA s 層用來減小光學(xué)模與 n + + 層的

　　交疊系數(shù) ，從而避免過高的波導(dǎo)損失［ 2 ］ 。 為了防止注入?yún)^(qū)電子回流上一級有源區(qū)并且保證注入條件下的

　　電荷電中性 ，超晶格注入?yún)^(qū)中間的兩個周期進(jìn)行了

　　摻雜（ （6～7） ×1017 cm - 3 ） ［ 4 ］ 。

　　GaAs6 ×1018 cm - 3 1μm

　　GaAs4 ×1016 cm - 33 75μm

　　30 周期波導(dǎo)核

　　GaAs4 ×1016 cm - 3175μm

　　3

　　GaAs6 ×1018 cm - 3 1μm

　　GaAs subst rate2 ×1018 cm - 31

　　圖 1 GaAs/ Al GaAs 量子級聯(lián)激光器分子束外延生長結(jié)構(gòu)簡

　　圖

　　Fig11 Schematic cro ss section of co mplete GaAs/ Al2

　　GaAs laser st ruct ure grown by MB E

　　3 國家自然科學(xué)基金（ 批準(zhǔn)號： 60136010 ） ， 國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃 （ 批準(zhǔn)號： 2001AA311140 ） ， 及國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃 （ 批準(zhǔn)號：

　　G20000683202）資助項(xiàng)目

　　-通信聯(lián)系人。 Email ：f qliu @red. semi 。 ac. cn

　　22 ○c 2005 中國電子學(xué)會

　　2005 02 03 收到

　　第 3 期 劉俊岐等 ： GaAs/ Al GaAs 量子級聯(lián)激光器 625

　　圖 2 在正向偏壓下導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)及相關(guān)波函數(shù)模的平方 每一

　　級層次序由注入勢壘開始 ， 分別為： 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 ，粗體為

　　壘 ，白體為阱 ，下劃線的部分摻雜濃度為（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～

　　樣品的 X 射線衍射搖擺曲線如圖 3 所示。 衛(wèi)星峰具有良好的周期性和窄的線寬 ，這表明樣品在外延生長方向的成分梯度可以忽略并且界面質(zhì)量良

　　好［ 5 ］ 。 每一級的周期可通過以下方程［ 6 ］ 獲得 ，

　　Λ = （ ni - nj ）λ ≈ （ ni - nj ）λ

　　2 （ sinθi - sinθj） 2Δθco sθi

　　這里 λ為所用 X 射線的波長; ni 和 n j 為兩個不同指紋的峰位;θi 和θj 為衛(wèi)星峰的角位置。 計算表明Λ

　　圖 3 GaAs/ Al0145 Ga0155 As 量子級聯(lián)激光器波導(dǎo)核 X 射線衍

　　射結(jié)果

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

　　Al0145 Ga0155 As quant um cascade laser waveguide co re

　　的實(shí)驗(yàn)值基本符合設(shè)計值。 我們把圖 3 中央的兩個相鄰的主峰看作襯底峰和一個周期內(nèi)具有平均成分

　　的層峰 ，則波導(dǎo)核中勢壘層的 Al 摩爾組分接近設(shè)

　　計值。

　　3 器件的制作與測量結(jié)果分析

　　樣品通過光刻和濕法化學(xué)腐蝕做成具有不同脊

　　寬的雙溝脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)（條寬分別為 35 ，45 ，55μm）

　　刻蝕深度穿透波導(dǎo)核。 利用 CVD 法生長 300nm 的

　　SiO2 作為脊周圍的絕緣層。 在脊區(qū)的中部開出電流

　　注入窗口 （寬度分別為 15 ，25 ，35μm） ， 然后蒸發(fā)非

　　合金的 Ti/ Au 作為正面歐姆接觸。 樣品從背面減薄至 100μm ，淀積合金的 A u Ge/ Ni/ Au 作為背面歐姆接觸。 器件解理成 2 ～3mm 長的法布里2貝羅腔結(jié)

　　構(gòu)。 考慮到級聯(lián)激光器的閾值電流密度較高 ，我們采用了上電極引線的多重壓焊和外延面朝下芯片焊接

　　技術(shù)。

　　測量過程中 ，激光器管芯安裝在液氮杜瓦內(nèi)的冷指上 ，其溫度可以控制。 光譜測量在 BRU KER E2

　　Q U INO X55 型紅外傅里葉變換光譜儀上進(jìn)行 ，采用

　　時間分辨步進(jìn)掃描模式。 光功率測量使用了已校準(zhǔn)

　　的熱電探測器。

　　圖 4 為光功率2注入電流曲線 ，其中的插圖為器件的光譜。 圖 4 中的光功率未進(jìn)行收集效率的修正 ，

　　在我們的實(shí)驗(yàn)中收集效率小于 30 %.

　　圖 4 寬 35μm 長 2mm 的激光器在脈沖驅(qū)動模式下的光功率

　　電流曲線 占空比為 2μs/ 200μs. 插圖為激射譜.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 導(dǎo) 體 學(xué) 報 第 26 卷

　　工藝方面的改善將進(jìn)一步提高器件的性能。 由

　　于 GaA s/ Al GaA s 量子級聯(lián)激光器的波導(dǎo)核區(qū)平行于層方向的熱導(dǎo)率比垂直方向高一個數(shù)量級［ 7 ］ ，增

　　加淀積 A u 的厚度或者采用離子注入而不是濕法刻蝕來定義條形結(jié)構(gòu)將會提高器件的橫向散熱 ，這必

　　然會大大減少注入?yún)^(qū)載流子的熱激活 ，從而提高注

　　入效率 ，改善器件工作的溫度特性和功率輸出特性 ，

　　這一工作正在進(jìn)行中。

　　4 結(jié)論

　　在國內(nèi)首次利用分子束外延技術(shù)成功地生長出

　　了 GaA s/ Al GaA s 量子級聯(lián)激光器材料。 長 2mm 脊

　　寬 35μm 的條形激光器在 5k Hz 、1 %占空比的脈沖電流驅(qū)動下最高工作溫度為 120 K ，81 K 未經(jīng)修正的

　　峰值功率超過 70mW.

　　致謝 在材料生長過程中 ， 得到李路、梁凌燕的協(xié)助; X 射線衍射實(shí)驗(yàn)在北京同步輻射站進(jìn)行 ，得到郭立平、賈全杰二位老師的幫助;在器件工藝方面得到常秀蘭、梁平、胡穎、孫虹的大力幫助 ，在此一并表示

　　感謝 ！

　　參考文獻(xiàn)

　?。?1 ］Faist J ， CapassoF ， Sivco D L ，et al 。 Quant um cascade laser 。

　　Science ，1994 ，264 ：553

　　［ 2 ］Sirtori C ，Kruck P ，Barbieri S ，et al .Low lo ss Al f ree

　　waveguides for unipolar semiconductor lasers. Appl Phys

　　Lett ，1999 ，75 ：3911

　?。?3 ］Page H ，BeckerC ， Robert sonA ， et al 。 300 K operation of a

　　2 2laserat λ≈ 9μm. ApplPhys

　　GaAs based quant um cascade

　　Lett ，2001 ，78 ：3529

　?。?4 ］Giehler M ， Hey R ，Kostial H ， et al 。 Lasing p roperties of

　　2 2

　　GaAs/ （ Al ， Ga） As quant um cascade lasers as a f unction of in

　　jector doping densit y. Appl Phys Lett ，2003 ，82 ：671

　?。?5 ］Liu Fengqi ，Zhang Quansheng ， Zhang Yongzhao ，et al 。 Grow

　　t h and characterization of In GaAs/ InAlAs quant um cascade

　　22 222

　　lasers. Solid State Elect ron ，2001 ，45 ：1831

　?。?6 ］Fewster P F. X ray scattering f ro m semiconductors. London ：

　　Imperial College Press ，2003

　?。?7 ］Pflügl C ， Litzenberger M ， Schrenk W ， etal 。 Interfero met ric

　　st udy of t hermaldynamics inGaAs based quant um cascade

　　lasers. Appl Phys Lett ，2003 ，82 ：166422

　　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