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 之后的半導體材料 ，處理工藝相當成熟 ，并且由于 GaA s/ Al x Ga1 - x A s 材料體系在寬成分范圍內的晶格匹配特點 ，使得 GaA s 基量子級聯激光器在器件設計方面具有獨特的靈活性; （2） 易于獲得無鋁

　　的低損耗波導［ 2 ］ ; （3） 能夠在遠紅外范圍獲得粒子數

　　反轉 ，在 T Hz 量子級聯激光器研制方面扮演著重要角色。 盡管具有以上的優點 ，目前 GaA s/ Al GaA s 量

　　子級聯激光器的性能還遠不如 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

　　電子向有源區激發態能級的注入效率 ，從而限制了

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

　　學限制的要求 ， 無鋁波導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、德國等少數幾個國家

　　進行這方面的工作。

　　實驗樣品是基于通常的三耦合量子阱有源區結構 ，類似于文獻［ 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

　　的工作電壓下波導核的導帶結構及相應波函數模的

　　平方。 波導核的具體結構見圖 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 波導層用于降低平面光學限制所必需的折射系數。 插入的 31 75μm 低摻雜

　?。? ×1016 cm - 3 ） GaA s 層用來減小光學模與 n + + 層的

　　交疊系數 ，從而避免過高的波導損失［ 2 ］ 。 為了防止注入區電子回流上一級有源區并且保證注入條件下的

　　電荷電中性 ，超晶格注入區中間的兩個周期進行了

　　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 量子級聯激光器分子束外延生長結構簡

　　圖

　　Fig11 Schematic cro ss section of co mplete GaAs/ Al2

　　GaAs laser st ruct ure grown by MB E

　　3 國家自然科學基金（ 批準號： 60136010 ） ， 國家高技術研究發展計劃 （ 批準號： 2001AA311140 ） ， 及國家重點基礎研究發展規劃 （ 批準號：

　　G20000683202）資助項目

　　-通信聯系人。 Email ：f qliu @red. semi 。 ac. cn

　　22 ○c 2005 中國電子學會

　　2005 02 03 收到

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

　　圖 2 在正向偏壓下導帶結構及相關波函數模的平方 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 為衛星峰的角位置。 計算表明Λ

　　圖 3 GaAs/ Al0145 Ga0155 As 量子級聯激光器波導核 X 射線衍

　　射結果

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

　　Al0145 Ga0155 As quant um cascade laser waveguide co re

　　的實驗值基本符合設計值。 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具有平均成分

　　的層峰 ，則波導核中勢壘層的 Al 摩爾組分接近設

　　計值。

　　3 器件的制作與測量結果分析

　　樣品通過光刻和濕法化學腐蝕做成具有不同脊

　　寬的雙溝脊型波導結構（條寬分別為 35 ，45 ，55μm）

　　刻蝕深度穿透波導核。 利用 CVD 法生長 300nm 的

　　SiO2 作為脊周圍的絕緣層。 在脊區的中部開出電流

　　注入窗口 （寬度分別為 15 ，25 ，35μm） ， 然后蒸發非

　　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

　　構。 考慮到級聯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。

　　測量過程中 ，激光器管芯安裝在液氮杜瓦內的冷指上 ，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行 ，采用

　　時間分辨步進掃描模式。 光功率測量使用了已校準

　　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 中的光功率未進行收集效率的修正 ，

　　在我們的實驗中收集效率小于 30 %.

　　圖 4 寬 35μm 長 2mm 的激光器在脈沖驅動模式下的光功率

　　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 體 學 報 第 26 卷

　　工藝方面的改善將進一步提高器件的性能。 由

　　于 GaA s/ Al GaA s 量子級聯激光器的波導核區平行于層方向的熱導率比垂直方向高一個數量級［ 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構將會提高器件的橫向散熱 ，這必

　　然會大大減少注入區載流子的熱激活 ，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 ，

　　這一工作正在進行中。

　　4 結論

　　在國內首次利用分子束外延技術成功地生長出

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

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

　　峰值功率超過 70mW.

　　致謝 在材料生長過程中 ， 得到李路、梁凌燕的協助; X 射線衍射實驗在北京同步輻射站進行 ，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 ！

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　　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