分子束外延生長(zhǎng)高速直接調(diào)制1.3 μm InAs/GaAs量子點(diǎn)激光器

楊 濤,季海銘,徐鵬飛

(中國(guó)科學(xué)院 半導(dǎo)體研究所,北京 100083)

0 引 言

家用計(jì)算機(jī)的普及和網(wǎng)絡(luò)生活的日益豐富促進(jìn)了高速光通信網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展,而作為光信號(hào)發(fā)生器的長(zhǎng)波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器對(duì)光通信系統(tǒng)的升級(jí)起著至關(guān)重要的作用。目前應(yīng)用的1.3 μm通訊波段半導(dǎo)體激光器主要是InP基量子阱激光器,但這類激光器的一個(gè)缺點(diǎn)是輸出受溫度影響大,實(shí)際應(yīng)用中需要增加補(bǔ)償回路或冷卻裝置,導(dǎo)致器件成本和功耗明顯增加,并且不利于與其它器件集成。自組織1.3 μm InAs/GaAs量子點(diǎn)激光器由于低成本、低功耗、可高速直接調(diào)制等優(yōu)勢(shì)近年來一直備受關(guān)注,有望作為下一代光纖通信局域網(wǎng)系統(tǒng)的信號(hào)光源,滿足日益增長(zhǎng)的光線到戶市場(chǎng)需求[1]。雖然理論計(jì)算表明量子點(diǎn)激光器的3 dB調(diào)制帶寬可以達(dá)到40 Gb/s,但世界上僅有少數(shù)幾個(gè)研究小組報(bào)道了10 Gb/s直接調(diào)制的1.3 μm InAs/GaAs量子點(diǎn)邊發(fā)射激光器[2-5]。量子點(diǎn)激光器外延片的質(zhì)量對(duì)器件的性能起著決定性的作用。自從第一支1.3 μm InAs/GaAs量子點(diǎn)激光器誕生以來[6],相關(guān)研究小組對(duì)量子點(diǎn)以及量子點(diǎn)器件的生長(zhǎng)過程進(jìn)行了許多優(yōu)化[7-13]。然而,由于半導(dǎo)體材料外延過程中復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過程以及不同生長(zhǎng)參數(shù)相互之間的影響,很難做到將一臺(tái)外延設(shè)備的生長(zhǎng)條件移植到另一臺(tái)設(shè)備上去,因此需要對(duì)量子點(diǎn)材料的生長(zhǎng)條件進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化,從而實(shí)現(xiàn)高性能的量子點(diǎn)激光器。

本文采用分子束外延設(shè)備 (MBE)對(duì)量子點(diǎn)的生長(zhǎng)溫度以及量子點(diǎn)的疊層生長(zhǎng)進(jìn)行了研究,在此基礎(chǔ)上外延并制作了1.3 μm InAs/GaAs量子點(diǎn)激光器,對(duì)器件的激射特性、溫度特性和調(diào)制特性進(jìn)行了測(cè)試和分析。

1 實(shí) 驗(yàn)

采用Veeco Gen II MBE在半絕緣GaAs(100)襯底片上生長(zhǎng)了不同條件和結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)樣品。首先將襯底升溫至580℃脫附表面氧化層,在As2的氛圍下淀積250 nm厚的GaAs緩沖層。再將襯底降溫至455℃或485℃后,淀積2.3個(gè)單分子層 (ML)InAs以形成InAs量子點(diǎn),As2和In的V/III比約為 80。隨后在量子點(diǎn)上覆蓋4 nm In0.17Ga0.83As應(yīng)力緩沖層和100 nm GaAs隔離層。最后以相同的生長(zhǎng)條件生長(zhǎng)一層表層量子點(diǎn),用于原子力顯微鏡 (AFM)的測(cè)量。為了研究疊層量子點(diǎn)的生長(zhǎng)情況,我們分別生長(zhǎng)了包含1、3、5層埋層量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)片,InAs量子點(diǎn)層之間為 40 nm GaAs隔離層。量子點(diǎn)樣品的發(fā)光性質(zhì)通過光致熒光譜(PL)來表征,泵浦光源采用氦氖激光器 (632.8 nm),熒光信號(hào)收集裝置為Jobin Yvon iHR 320光譜儀和InGaAs陣列探測(cè)器。表層量子點(diǎn)的形貌信息通過NT-MDT Solver P47原子力顯微鏡得到。

在生長(zhǎng)優(yōu)化基礎(chǔ)上,我們?cè)?0.8 mm n+GaAs(100)襯底上外延生長(zhǎng)了激光結(jié)構(gòu)。在P型和N型各 1.4 μm Al0.4Ga0.6As限制層之間生長(zhǎng) I-nAs/GaAs量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)有源區(qū),有源區(qū)包含5層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)以及兩側(cè)各70 nm厚的GaAs波導(dǎo)層。將生長(zhǎng)的外延片進(jìn)行后工藝處理制作成條寬4 μm、腔長(zhǎng)600 μm的脊形波導(dǎo)激光器,并在前后腔面分別蒸鍍功率反射率為95%和60%的高反膜。通過室溫以及10～100℃激光器的光功率-電流曲線研究器件的激射特性。器件的高速調(diào)制特性通過大信號(hào)眼圖測(cè)試進(jìn)行分析,測(cè)試系統(tǒng)由 Advantest D3186脈沖信號(hào)發(fā)生器、Agilent 11982A光探測(cè)器、Tektronix CAS8000通信信號(hào)分析儀組成。

2 結(jié)果與討論

圖1是不同生長(zhǎng)溫度下InAs/GaAs量子點(diǎn)的原子力顯微鏡形貌圖,測(cè)量范圍為2×2 μm2。在相同的InAs淀積量 (2.3 ML)下,455℃時(shí)形成的量子點(diǎn)的密度約為7×1010cm-2,平均徑向尺寸約為30 nm。而在485℃下形成的量子點(diǎn)的密度約為3×1010cm-2,平均徑向尺寸約為40 nm。高溫下形成的量子點(diǎn)具有較低的密度和較大的徑向尺寸,這可以歸結(jié)于生長(zhǎng)溫度較高時(shí)In原子在外延層表面具有更大的擴(kuò)散長(zhǎng)度。雖然更高的量子點(diǎn)密度有助于量子點(diǎn)激光器獲得更大的模式增益,但是從圖1中可以看到,生長(zhǎng)溫度較低時(shí)會(huì)形成更多的尺寸較大的三維小島。這些小島通常包含缺陷成為載流子的非輻射復(fù)合中心,影響材料的光學(xué)質(zhì)量[14]。因此,在InAs量子點(diǎn)的生長(zhǎng)中需要盡量避免大尺寸三維小島的形成。在2.3 ML InAs淀積量、V/III比約80的條件下,485℃生長(zhǎng)的量子點(diǎn)更適用于激光器的有源區(qū)。

圖1 不同生長(zhǎng)溫度(455℃和485℃)下InAs/GaAs量子點(diǎn)的2×2 μm2原子力顯微鏡形貌圖Fig.1 AFM surface images(2×2 μm2)of InAs QDs deposited on GaAs at 485℃and 455℃,respectivel

進(jìn)一步,我們研究了疊層量子點(diǎn)的生長(zhǎng)情況。由于單層量子點(diǎn)的密度有限,量子點(diǎn)激光器結(jié)構(gòu)通常采用疊層量子點(diǎn)來提高器件的模式增益[15]。然而由于InAs與GaAs存在7.1%的晶格失配,量子點(diǎn)堆疊層數(shù)較多會(huì)加劇應(yīng)力的積累從而導(dǎo)致缺陷的產(chǎn)生。另一方面,量子點(diǎn)層數(shù)的加大會(huì)使有源區(qū)的厚度增加,導(dǎo)致有源區(qū)光場(chǎng)限制的減弱,影響激光器的模式增益[16]。因此,有必要對(duì)疊層量子點(diǎn)的生長(zhǎng)進(jìn)行研究,在不影響材料光學(xué)質(zhì)量的前提下盡量增加量子點(diǎn)的堆疊層數(shù)。我們采用相同生長(zhǎng)條件,在485℃下分別生長(zhǎng)了包含1、3、5層埋層量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)片,其室溫PL譜見圖2。量子點(diǎn)樣品的熒光峰值強(qiáng)度隨著堆疊層數(shù)的增加而上升,其中包含5層量子點(diǎn)的樣品具有最大的熒光強(qiáng)度。5層量子點(diǎn)樣品的熒光譜半高寬略有上升,主要是由于累積應(yīng)力的存在使得各層量子點(diǎn)的生長(zhǎng)環(huán)境發(fā)生變化,引起量子點(diǎn)尺寸分布變寬。綜合比較,5層量子點(diǎn)可以有效提高態(tài)密度,有利于激光器模式增益的提高,適合作為激光器的有源區(qū)。

圖2 不同堆疊層數(shù)InAs/GaAs量子點(diǎn)的室溫光致熒光譜Fig.2 Room-temperature PL spectra from the QD samples with one,three and five QD stacks

在上述生長(zhǎng)優(yōu)化基礎(chǔ)上,我們外延并制作了包含5層InAs/GaAs量子點(diǎn)的脊型波導(dǎo)激光器。器件的條寬為 4 μm,腔長(zhǎng)為600 μm,前后腔面分別鍍有反射率為95%和60%的高反膜。圖3是器件在室溫下的光功率～電流曲線、電壓～電流曲線以及激射光譜。激光器的閾值電流約為5 mA,斜率效率約為0.16 W/A。在7 mA的電流注入下,器件的激射中心波長(zhǎng)為1 293 nm。此外,在10～100℃范圍內(nèi)測(cè)試了器件連續(xù)注入模式下的光功率～電流曲線,見圖4。激光器在100℃時(shí)仍能維持連續(xù)輸出工作狀態(tài),表明器件具有較高的溫度穩(wěn)定性。

量子點(diǎn)激光器的高速調(diào)制性能對(duì)在實(shí)際光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用十分重要,我們采用大信號(hào)特性測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試了1.3 μm InAs/GaAs量子點(diǎn)激光器的大信號(hào)調(diào)制響應(yīng)。激光器為蝶形封裝,器件管殼帶有同軸RF轉(zhuǎn)接頭,器件總電阻約50 Ω。測(cè)試過程中激光器的偏置電流為60 mA,調(diào)制信號(hào)的幅度為2 V(峰峰值)。圖5是在25℃、12 Gb/s調(diào)制速率下測(cè)得的InAs/GaAs量子點(diǎn)激光器的大信號(hào)調(diào)制響應(yīng)眼圖,實(shí)現(xiàn)了眼圖的清晰張開,表明器件可以實(shí)現(xiàn)10 Gb/s以上的信號(hào)傳輸。

圖5 12 G b/s調(diào)制速率下量子點(diǎn)激光器的眼圖,測(cè)試溫度為25℃,偏置電流為60 mA,調(diào)制信號(hào)的幅度為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 結(jié) 論

本文對(duì)InAs/GaAs量子點(diǎn)的生長(zhǎng)溫度和疊層生長(zhǎng)進(jìn)行了研究,在此基礎(chǔ)上生長(zhǎng)并制作了有源區(qū)包含5層InAs/GaAs量子點(diǎn)的脊型波導(dǎo)激光器。輸出特性測(cè)試結(jié)構(gòu)表明,器件的室溫閾值電流為5 mA,激射中心波長(zhǎng)位于1 293 nm,并且在10～100℃范圍內(nèi)均可實(shí)現(xiàn)連續(xù)激射。大信號(hào)調(diào)制眼圖測(cè)試表明,激光器在25℃下可以實(shí)現(xiàn)12 Gb/s眼圖的清晰張開。這為該器件在高速光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用打下了良好基礎(chǔ)。

[1]M.Sugawara,M.Usami.Quantum dot devices handling the heat[J].Nature Photonics,2009,3：30.

[2]K.Otsubo,N.Hatori,M.Ishida,et al.Temperatureinsensitive eye-openingunder 10-Gb/s modulation of 1.3-μm P-doped quantum-dot lasers without current adjustments[J].Japan.J.Appl.Phys.,2004,43：L1 124-L1 126

[3]Z.Mi,P.Bhattacharya,S.Fathpour.High-speed 1.3 μm tunnel injection quantum-dot lasers[J].Appl.Phys.Lett.2005,86：153 109

[4]M.T.Todaro,A.Salhi,L.Fortunato,et al.Highperformance directly modulated 1.3-μm undoped InAs–InGaAs quantum-dot lasers[J].IEEE Photon.Technol.Lett.,2007,19：191-193

[5]M.Kuntz,G.Fiol,M.L?mmlin,et al.10 Gbit/s data modulation using 1.3 μm InGaAs quantum dot lasers[J].Electron.Lett.,2005,41：244-245.

[6]D.L.Huffaker,G.Park,Z.Zou,et al.1.3 μm room-temperature GaAs-Based quantum-dot laser[J].Appl.Phys.Lett.,1998,73：2 564-2 566.

[7]K.Mukai,Y.Nakata,K.Otsubo,et al.9 1.3-μm CW lasing of InGaAs–GaAs quantum dots at room temperature with a threshold current of 8 mA[J].IEEE Photon.Technol.Lett.,1999,11(10)：1 205-1 207.

[8]P.B.Joyce,T.J.Krzyzewski,G.R.Bell,et al.Optimizing the growth of 1.3 μm InAs/GaAs quantum dots[J].Phys.Rev.B,2001,64：235 317-235 322.

[9]T.Yang,J.Tatebayashi,S.Tsukamoto,et al.Narrow photoluminescence linewidth(＜17 meV)from highly uniform self-assembled InAs/GaAs quantum dots grown by low-pressure metalorganic chemical vapor deposition[J].Appl.Phys.Lett.,2004,84：2 817-2 819.

[10]T.Sugaya,K.Komori,S.Yamauchi,et al.1.3 μm InAs quantum dots grown with an As2source using molecular-beam epitaxy[J].J.Vac.Sci.Technol.B,2005,23：1 243-1 246.

[11]V.Celibert,E.Tranvouez,G.Guillot,et al.MBE growth optimization and optical spectroscopy of InAs/GaAs quantum dots emitting at 1.3 μm in single and stacked layers[J].J.Crystal Growth,2005,275：e2 313-e2 319.

[12]T.Passow,S.Li,P.Fein?ugle,et al.Systematic investigation into the influence of growth conditions on I-nAs/GaAs quantum dot properties[J].J.Appl.Phys.,2007,102：073 511.

[13]F.Ferdos,M.Sadeghi,Q.X.Zhao,et al.Optimisation of M BE growth conditions for InAs quantum dots on(001)GaAs for 1.3 μm luminescence[J].J.Crystal Growth,2001,207-228：1 140-1 145.

[14]F.Houzay,C.Guille,J.M.M oison,et al.First stages of the MBE growth of InAs on(001)GaAs[J].J.Crystal Growth,1987,81：67-72.

[15]A.Salhi,L.Fortunato,L.Martiradonna,et al.Enhanced modal gain of multilayer InAs/InGaAs/GaAs quantum dot lasers emitting at 1 300 nm[J].J.Appl.Phys.,2006,100：123 111.

[16]H.M.Ji,T.Yang,Y.L.Cao,et al.Theoretical analysis of modal gain in p-doped 1.3 μm InAs/GaAs quantum dot lasers[J].Phys.Stat.Sol.(c),2009,6：948-951.