InGaAs/GaAs/InGaP量子阱激光器的溫度電壓特性

李金友 王海龍* 楊 錦 曹春芳 趙旭熠 于文富 龔 謙*

(1.曲阜師范大學(xué)物理工程學(xué)院山東省激光偏光與信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東曲阜 273165；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)信息功能材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200050； 3.中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050)

1 引 言

目前量子計(jì)算機(jī)需要在低溫環(huán)境下工作，其與室溫之間的數(shù)據(jù)傳輸是一個(gè)難點(diǎn)。由于半導(dǎo)體激光器具有光譜純度高、波長(zhǎng)覆蓋范圍廣、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、成本低、可靠性好、使用方便和易于集成等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于光通信、雷達(dá)、光檢測(cè)、測(cè)距、雙波長(zhǎng)干涉和光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等系統(tǒng)中[1-6]。基于半導(dǎo)體激光器的這些性能，可以用半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)與室溫間的數(shù)據(jù)傳輸。這需要半導(dǎo)體激光器工作在低溫環(huán)境下，因此針對(duì)低溫半導(dǎo)體激光器展開了大量的研究[7-12]。1990年，Ijichi等[13]采用低壓金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法(LP-MOCVD)生長(zhǎng)出分離限制結(jié)構(gòu)的單量子阱激光器，波導(dǎo)層和量子阱層材料分別為 In0.49-Ga0.51P 和 In0.22Ga0.78As，在 2.5 mm 腔長(zhǎng)、7 μm 脊條寬度的器件中實(shí)現(xiàn)了閾值電流密度為72 A/cm2，內(nèi)損耗為6.4 cm-1，器件的性能優(yōu)于當(dāng)時(shí)的InGaAs/GaAs/AlGaAs單層應(yīng)變量子阱激光器，從此以InGaP材料作為波導(dǎo)層的研究受到廣泛關(guān)注。近年來(lái)，在InGaAs/GaAs/InGaP量子阱激光器研究方面取得了很多成果[14-16]。

本文研究了InGaAs/GaAs/InGaP量子阱激光器的溫度電壓特性，并建立了一個(gè)理論模型來(lái)描述該激光器的溫度電壓特性。

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用激光器材料采用VG 90氣態(tài)源分子束外延設(shè)備在N+GaAs(100)襯底上外延生長(zhǎng)。如圖1所示，首先生長(zhǎng)500 nm的GaAs緩沖層，接著生長(zhǎng)兩層摻Si濃度不同厚度均為500 nm的InGaP下包覆層，后續(xù)依次為3個(gè)原子層的GaAs下蓋層、160 nm的下勢(shì)壘層、8 nm的InGaAs量子阱層有源區(qū)、160 nm的上勢(shì)壘層、兩層摻Be濃度不同的InGaP上包覆層、3個(gè)原子層的GaAs上蓋層、100 nm的GaAs上接觸層。詳細(xì)的外延生長(zhǎng)條件文獻(xiàn)[17]已有報(bào)道。

在材料生長(zhǎng)完成后利用FP腔激光器制備工藝，制備了脊條寬度為3 μm、腔長(zhǎng)為0.3 mm的激光器，激光器為雙面出光，未進(jìn)行鍍膜處理。其基本流程包括：外延片清洗、脊波導(dǎo)的光刻與刻蝕、鈍化膜的生長(zhǎng)、窗口的制備、電極的制備、芯片解理以及最后的封裝測(cè)試。

圖1 InGaAs/GaAs/InGaP量子阱激光器的材料生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic sample structure of an InGaAs/GaAs/In-GaP quantum well laser

3 理論模型

半導(dǎo)體激光器的電壓和電流特性為[18]：

其中，k為玻爾茲曼常數(shù)，q為電子電荷量。流過激光器的電流I(V)取決于反向偏壓飽和電流Is、溫度T和電壓V，假設(shè)飽和電流和電壓不隨溫度變化。為方便起見，將q/kT項(xiàng)寫為熱電壓VT(T)：

將公式(2)帶入公式(1)，加上半導(dǎo)體激光器的串聯(lián)電阻電壓，得到半導(dǎo)體激光器的電壓公式：

其中，I為流過激光器的電流，Rs為激光器的串聯(lián)電阻，著重考慮Is的影響[18]：

其中A為器件的橫截面積，D(下標(biāo)p和n代表p型和n型區(qū)域)是載流子擴(kuò)散系數(shù)，N(下標(biāo)D表示施主，A表示受主)是施主和受主的濃度，L是載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度，ni是本征載流子的濃度。

由此得到激光器的電壓隨溫度和電流變化的關(guān)系式為：

其中，V(I，T)為激光器的電壓。下面對(duì)公式(5)中ni(x，T)項(xiàng)進(jìn)行詳細(xì)推導(dǎo)。

實(shí)驗(yàn)中激光器量子阱材料為GaxIn1-xAs，其禁帶寬度Eg隨材料組分和溫度變化為[19]：

可以把公式(6)表示為：

其中x的值為0.8，表1給出了Eg(0)、α和β的值，將其帶入公式(7)可以得到公式(8)[20]：

公式(8)即為三元化合物GaxIn1-xAs材料禁帶寬度的理論計(jì)算公式。

表1 參數(shù)Eg(0)、α和β的參考值Tab.1 Reference values of Eg(0)， α and β

GaxIn1-xAs材料中本征載流子濃度隨材料組分和溫度的變化可表示為[21-22]：

其中ε=Eg/kT，mdh是價(jià)帶的態(tài)密度質(zhì)量：

lh和hh分別表示輕空穴和重空穴。采用線性插值方案來(lái)關(guān)聯(lián)有效質(zhì)量和組分：

利用以前測(cè)得的質(zhì)量值得到[23]：

4 結(jié)果與討論

4.1 器件測(cè)試結(jié)果

如圖2所示，隨著溫度的降低，激光器的IV曲線逐漸上移，當(dāng)溫度恒定時(shí)，器件的電壓隨注入電流增大，當(dāng)電流達(dá)到一定數(shù)值后，電壓趨于平穩(wěn)，I-V曲線趨于平緩。當(dāng)激光器在正向?qū)ê螅x取4個(gè)固定的電流值10，20，30，40 mA分析InGaAs/GaAs/InGaP量子阱激光器在15～300 K范圍內(nèi)電壓隨溫度的變化特性，如圖3所示。

圖2 激光器在15～300 K的I-V曲線Fig.2 Voltage as a function of current for the laser from 15 to 300 K

由圖3可知，量子阱激光器的電壓隨溫度變化在15～100 K與100～300 K這兩個(gè)溫度范圍內(nèi)近似為線性關(guān)系，這與GaN基發(fā)光二極管的溫度電壓關(guān)系相似[24]。但這兩個(gè)溫度范圍內(nèi)電壓隨溫度變化的線性斜率不同，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是隨著溫度升高激光器材料中載流子濃度發(fā)生變化所致，在溫度100 K左右激光器內(nèi)部載流子濃度可能存在突變。

為方便描述定義一個(gè)M參數(shù)，其數(shù)值對(duì)應(yīng)于dV/dT，含義為溫度每變化1 K激光器電壓變化的幅度，單位為mV/K。分別對(duì)兩個(gè)溫度范圍的M參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

圖3 不同電流下電壓隨溫度的變化Fig.3 Variation of voltage with temperature for different injection currents

表2 實(shí)驗(yàn)得到的不同正向電流下激光器的M參數(shù)值Tab.2 Measured M parameters of the laser under different forward current

在量子阱激光器中發(fā)現(xiàn)電壓隨溫度變化幾乎是線性關(guān)系，但是每一個(gè)固定的注入電流下dV/dT的值不同，隨電流的增加dV/dT的絕對(duì)值增大。隨著激光器工作溫度的逐漸升高，半導(dǎo)體材料的帶隙變小，p-n結(jié)的勢(shì)壘下降，載流子更容易通過勢(shì)壘。對(duì)激光器施加電流，在內(nèi)部會(huì)由于熱損耗而產(chǎn)生熱量，當(dāng)單位時(shí)間產(chǎn)生的熱量無(wú)法及時(shí)散去，就會(huì)有熱的積累，使激光器的內(nèi)部溫度比實(shí)際的環(huán)境溫度高。在相同電流下，由于溫度升高，加在器件兩邊的電壓會(huì)下降，注入電流越大，器件內(nèi)部溫度就越高，電壓下降越快。這種性能的變化主要是由器件結(jié)溫升高引起的。

4.2 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

圖4為利用前面建立的理論模型計(jì)算得到的激光器在15～300 K的I-V曲線。與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，在小電流時(shí)存在一定的誤差，這可能是由于模型是按照理想情況下激光器的工作特性來(lái)考慮的，有些影響因素沒有考慮。采用與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相同的分析方法，取4個(gè)固定的電流值10，20，30，40 mA分析激光器在15～300 K范圍內(nèi)的電壓溫度關(guān)系，如圖5所示。

圖4 計(jì)算得到的激光器在15～300 K的I-V曲線Fig.4 Calculated I-V curves of the laser from 15 to 300 K

圖5 計(jì)算得到的在不同電流下電壓隨溫度的變化Fig.5 Calculated variation of voltage with temperature for different injection currents

表3 計(jì)算得到的不同正向電流下M參數(shù)值Tab.3 Calculated M parameters of the laser for different forward current

表3是通過理論模型計(jì)算得到的激光器在不同正向電流下的電壓溫度系數(shù)。在15～100 K，電壓溫度系數(shù)為2.56～2.75 mV/K；在100～300 K，電壓溫度系數(shù)為3.91～4.15 mV/K。與表2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較可知，在100～300 K，實(shí)驗(yàn)值與理論計(jì)算的數(shù)值相差較小，能較好地模擬該激光器的溫度電壓特性；但在15～100 K，實(shí)驗(yàn)值與理論計(jì)算的數(shù)值相差較大。這可能是由于模型建立時(shí)所用的計(jì)算公式忽略了激光器工作時(shí)內(nèi)部發(fā)熱的現(xiàn)象，在低溫下激光器工作時(shí)產(chǎn)生的熱量對(duì)其性能的影響較大。

5 結(jié) 論

本文主要對(duì)研制的InGaAs/GaAs/InGaP量子阱激光器在不同溫度(最低至15 K)下的溫度電壓特性進(jìn)行了研究，并建立了相關(guān)理論模型進(jìn)行描述。實(shí)驗(yàn)測(cè)得激光器在15～100 K的電壓溫度系數(shù)為7.87～8.32 mV/K，100～300 K的電壓溫度系數(shù)為2.93～3.17 mV/K。由理論模型計(jì)算得到的激光器在15～100 K的電壓溫度系數(shù)為2.56～2.75 mV/K，100～300 K的電壓溫度系數(shù)為3.91～4.15 mV/K。該模型對(duì)InGaAs/GaAs/InGaP量子阱激光器溫度電壓特性的模擬在100～300 K具有較大的實(shí)用價(jià)值，在15～100 K則還需進(jìn)一步完善。