李金友 王海龍* 楊 錦 曹春芳 趙旭熠 于文富 龔 謙*

(1.曲阜師范大學物理工程學院山東省激光偏光與信息技術重點實驗室，山東曲阜 273165；2.中國科學院大學信息功能材料國家重點實驗室，上海 200050； 3.中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所，上海 200050)

1 引 言

目前量子計算機需要在低溫環(huán)境下工作，其與室溫之間的數(shù)據(jù)傳輸是一個難點。由于半導體激光器具有光譜純度高、波長覆蓋范圍廣、結構緊湊、效率高、成本低、可靠性好、使用方便和易于集成等優(yōu)點，已被廣泛應用于光通信、雷達、光檢測、測距、雙波長干涉和光學數(shù)據(jù)存儲等系統(tǒng)中[1-6]?；诎雽w激光器的這些性能，可以用半導體激光器實現(xiàn)量子計算機與室溫間的數(shù)據(jù)傳輸。這需要半導體激光器工作在低溫環(huán)境下，因此針對低溫半導體激光器展開了大量的研究[7-12]。1990年，Ijichi等[13]采用低壓金屬有機化學氣相沉積法(LP-MOCVD)生長出分離限制結構的單量子阱激光器，波導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、7 μm 脊條寬度的器件中實現(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)于當時的InGaAs/GaAs/AlGaAs單層應變量子阱激光器，從此以InGaP材料作為波導層的研究受到廣泛關注。近年來，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，并建立了一個理論模型來描述該激光器的溫度電壓特性。

2 實 驗

實驗所用激光器材料采用VG 90氣態(tài)源分子束外延設備在N+GaAs(100)襯底上外延生長。如圖1所示，首先生長500 nm的GaAs緩沖層，接著生長兩層摻Si濃度不同厚度均為500 nm的InGaP下包覆層，后續(xù)依次為3個原子層的GaAs下蓋層、160 nm的下勢壘層、8 nm的InGaAs量子阱層有源區(qū)、160 nm的上勢壘層、兩層摻Be濃度不同的InGaP上包覆層、3個原子層的GaAs上蓋層、100 nm的GaAs上接觸層。詳細的外延生長條件文獻[17]已有報道。

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

圖1 InGaAs/GaAs/InGaP量子阱激光器的材料生長結構圖Fig.1 Schematic sample structure of an InGaAs/GaAs/In-GaP quantum well laser

3 理論模型

半導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，假設飽和電流和電壓不隨溫度變化。為方便起見，將q/kT項寫為熱電壓VT(T)：

將公式(2)帶入公式(1)，加上半導體激光器的串聯(lián)電阻電壓，得到半導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p和n代表p型和n型區(qū)域)是載流子擴散系數(shù)，N(下標D表示施主，A表示受主)是施主和受主的濃度，L是載流子擴散長度，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系式為：

其中，V(I，T)為激光器的電壓。下面對公式(5)中ni(x，T)項進行詳細推導。

實驗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是價帶的態(tài)密度質量：

lh和hh分別表示輕空穴和重空穴。采用線性插值方案來關聯(lián)有效質量和組分：

利用以前測得的質量值得到[23]：

4 結果與討論

4.1 器件測試結果

如圖2所示，隨著溫度的降低，激光器的IV曲線逐漸上移，當溫度恒定時，器件的電壓隨注入電流增大，當電流達到一定數(shù)值后，電壓趨于平穩(wěn)，I-V曲線趨于平緩。當激光器在正向導通后，選取4個固定的電流值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這兩個溫度范圍內(nèi)近似為線性關系，這與GaN基發(fā)光二極管的溫度電壓關系相似[24]。但這兩個溫度范圍內(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M參數(shù)，其數(shù)值對應于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。分別對兩個溫度范圍的M參數(shù)進行了計算，結果如表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 實驗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系，但是每一個固定的注入電流下dV/dT的值不同，隨電流的增加dV/dT的絕對值增大。隨著激光器工作溫度的逐漸升高，半導體材料的帶隙變小，p-n結的勢壘下降，載流子更容易通過勢壘。對激光器施加電流，在內(nèi)部會由于熱損耗而產(chǎn)生熱量，當單位時間產(chǎn)生的熱量無法及時散去，就會有熱的積累，使激光器的內(nèi)部溫度比實際的環(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溫升高引起的。

4.2 數(shù)值模擬與結果分析

圖4為利用前面建立的理論模型計算得到的激光器在15～300 K的I-V曲線。與實驗數(shù)據(jù)相比，在小電流時存在一定的誤差，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考慮的，有些影響因素沒有考慮。采用與實驗數(shù)據(jù)相同的分析方法，取4個固定的電流值10，20，30，40 mA分析激光器在15～300 K范圍內(nèi)的電壓溫度關系，如圖5所示。

圖4 計算得到的激光器在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的實驗數(shù)據(jù)比較可知，在100～300 K，實驗值與理論計算的數(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，實驗值與理論計算的數(shù)值相差較大。這可能是由于模型建立時所用的計算公式忽略了激光器工作時內(nèi)部發(fā)熱的現(xiàn)象，在低溫下激光器工作時產(chǎn)生的熱量對其性能的影響較大。

5 結 論

本文主要對研制的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行了研究，并建立了相關理論模型進行描述。實驗測得激光器在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具有較大的實用價值，在15～100 K則還需進一步完善。