引言 早在80年代初，理論預(yù)言：量子點(diǎn)激光器的性能與量子階激光器或量于線激光器相比，具有更低的閡值電流密度，更高的特征溫度和更高的增益等優(yōu)越特性[1,2]。這主要由于在量子點(diǎn)材料(又稱零維材料)中，載流子在三個(gè)運(yùn)動(dòng)方向上受到限制，載流于態(tài)密度與能量關(guān)系為6函數(shù)，因而具有許多獨(dú)特的物理性質(zhì)，如量子效應(yīng)、量子隧穿、非線性光學(xué)等，極大地改善了材料的性能。因此，不但在基礎(chǔ)物理研究方面意義重大，而且在新型量子器件等方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景。目前，零維材料結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用為國(guó)際上最前沿的研究領(lǐng)域之一，仍處于探索階段。90年代初，利用MBE和MOCVD技術(shù)，通過Stranski—Krastanow(S—K)模式生長(zhǎng)In(Ga)As/GaAs自組裝量子點(diǎn)等零維半導(dǎo)體材料有了突破性的進(jìn)展，生長(zhǎng)出品格較完整，尺寸較均勻，且密度和發(fā)射率較高的InAs量子點(diǎn)，并于1994年制備出近紅外波段InGaAs/GaAs量子點(diǎn)激光器[3]。目前國(guó)際上已有一些實(shí)驗(yàn)室制備了In(Gs)As/GnAs量子點(diǎn)激光器[4-10]。本文報(bào)道我們?cè)谠械幕A(chǔ)上[4]優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生長(zhǎng)工藝，制備出低閡值電流密度和大功率量子點(diǎn)激光器，并用光致發(fā)光(PL)、電致發(fā)光(EL)、原子力顯微鏡(AFM)和高分辨率透射電鏡(TEM)等對(duì)InAs/GaAs量子點(diǎn)垂直耦合結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行研究。 1 實(shí)驗(yàn) 我們采用Riber32P型MBE系統(tǒng)在N+GaAs〔001)晶向的襯底上生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)漸變折射率波導(dǎo)分別限制的量子點(diǎn)激光器材料。生長(zhǎng)前先在高溫下去除N+襯底氧化層，再生長(zhǎng)0.5μm厚的摻SiN+GaAs緩沖層，摻雜濃度n=2×1018cm-3，中間夾著20個(gè)周期GaA3/AlGaAs超品格，用以改善外延層平整度和阻擋雜質(zhì)向外延方向擴(kuò)散，然后生長(zhǎng)lμm厚N+AlGaAs下限制層(n=1018cm-3，Al組分x=0.5)和分別限制漸變x值A(chǔ)lGaAs波導(dǎo)層(x值從0.5至0)，厚度為0.4μm，中間夾著有源區(qū)為三組(InAs)2(GaAs)18量子點(diǎn)垂直稠合結(jié)構(gòu)，即每組包括InAs量子點(diǎn)和GaAs隔離層，InAs層厚為2原子層(ML)，GaAs層厚為18ML。最后生長(zhǎng)P+AlGaAs上限制層和0.3μm厚P+GaAs頂層(p=5×1019cm-2)作歐姆接觸層。在生長(zhǎng)InAs過程中，當(dāng)InAs厚度超過1.6單原子層(ML)時(shí)，從原位監(jiān)測(cè)的高能電子衍射儀(RHEED)的衍射圖形觀察到從條狀開始變成點(diǎn)狀，這表明生長(zhǎng)過程從二維狀態(tài)過渡到二維狀態(tài)，即InAs點(diǎn)開始形成。生長(zhǎng)速率對(duì)GaAs為0.7μm/h，對(duì)InAs為0.2μm/h；襯底溫度對(duì)GaAs為600℃，AIGaAs為700℃，InAs為480℃。 2 結(jié)果和討論 圖1為用透射電鏡觀察的有源區(qū)量子點(diǎn)垂直耦臺(tái)結(jié)構(gòu)的橫截面圖像，有源區(qū)為三組(1nAs)2(GaAs)18組成，即每組包括InAs量子點(diǎn)和GaAs隔離層，InAs層厚為2ML，GaAs層厚為18ML。圖2為按相同條件生長(zhǎng)2.0MlInAs量子點(diǎn)，表面無(wú)復(fù)蓋層的原子力顯微鏡圖像(600×600nm2)。圖3為量子點(diǎn)尺寸分布統(tǒng)計(jì)圖，可以看出，InAs量子點(diǎn)大小較為均勻，橫向尺寸約為15-20nm，高度約為3nm，密度為7.6×1010/cm2。將QD-LD材料的樣品做成條寬為100μm，腔長(zhǎng)為800μm的寬接觸激光器，室溫下實(shí)現(xiàn)連續(xù)激射。圖4為垂直耦合自組裝InAs/GaAs量子點(diǎn)激光器的光輸出功率和電流關(guān)系圖。最大光輸出功率大于1W，斜率為0.68W/A，閾值電流密度僅為218A/cm2，在77K測(cè)量，閾值電流密度為49A/cm2，其性能與量子阱激光器可比擬。圖5為在不同電流強(qiáng)度(I＝0.91Ith，1.0Ith，1.05Ith，)下的電致發(fā)光(EL)光譜和光激射譜圖，激射波長(zhǎng)為960nm。圖6為QD—LD在0.54W工作下量子點(diǎn)激光器輸出功率隨時(shí)間變化曲線，老化試驗(yàn)為3000小時(shí)，功率僅下降0.49db。按功率下降2db推算，壽命可超過1萬(wàn)小時(shí)。在此基礎(chǔ)上，還制備了實(shí)用化的大功率量子點(diǎn)激光器激光耦合模塊，室溫連續(xù)激射功率超過10W，未見文獻(xiàn)有關(guān)報(bào)道。3 結(jié)論 我們成功地研制出低閡值電流密度和大功率量子點(diǎn)激光器，當(dāng)腔長(zhǎng)為800μm，連續(xù)激射閉值電流密度在300K和77K下分別為218A/cm2和49A/cm-2，波長(zhǎng)為960nm，光輸出功率大于lW，斜率為0.68W/A。在0.54W工作下，壽命超過3000小時(shí)，功率僅下降0.49db。按2db推算，壽命可超過l萬(wàn)小時(shí)。并制備出實(shí)用化的大功率量子點(diǎn)激光器激光輥合模塊，室溫連續(xù)激射功率超過10W。通過分析我們認(rèn)為，要進(jìn)一步降低閡值電流密度，關(guān)鍵在于提高InAs量子點(diǎn)尺寸的均勻性，增加量子點(diǎn)的密度和提高材料質(zhì)量。