寧超，孫瑞軒，于天，劉舒曼，張錦川，卓寧，王利軍，劉俊岐，翟慎強，李遠，劉峰奇，3

（1 中國科學院半導體研究所半導體材料科學重點實驗室，北京100083）

（2 中國科學院大學材料與光電研究中心，北京100049）

（3 北京量子信息科學研究院，北京100193）

0 引言

帶間級聯(lián)激光器（Interband Cascade Lasers，ICLs）得益于其極低的閾值電流和體積小等優(yōu)點，在痕量氣體檢測［1-4］、中波紅外光頻梳［5-7］和自由空間光通信［8］領域具有重要的應用價值。自楊瑞青教授在1994年首次提出帶間級聯(lián)的概念后［9］，人們不斷地對有源區(qū)結(jié)構和波導結(jié)構的設計進行改善。1996年，美國的MEYER J R 等將GaSb/AlSb 量子阱（Quantum Wells，QWs）構成的空穴注入?yún)^(qū)引入ICL 有源區(qū)設計中［10］，以阻止電子從光學增益區(qū)直接隧穿到電子注入?yún)^(qū)。隨后，為了提高躍遷矩陣元并抑制俄歇復合效應，他們采用了應變W型二類量子阱結(jié)構［11，12］作為光增益區(qū)。隨著材料的外延質(zhì)量和工藝水平的提升，ICL 性能穩(wěn)步提高［12-15］。2008～2011年間，美國海軍實驗室成功實現(xiàn)了ICL 的室溫連續(xù)波工作（Continues Wave，CW）［16］，并提出載流子再平衡設計［15］，進一步降低了器件閾值電流。他們指出在早期的有源區(qū)設計中，由于在光增益區(qū)中空穴數(shù)量是電子數(shù)量的5 倍，因此PPN 型俄歇復合過程占主導。在載流子再平衡設計中，有源區(qū)中電子注入?yún)^(qū)的摻雜濃度提高到5.0 × 1018cm-3，理論計算表明高摻雜后光增益區(qū)中電子和空穴數(shù)量近似相等，制備出的器件的閾值電流密度比早期器件降低了一半。但是在激光器有源區(qū)中重摻雜會造成嚴重的自由載流子吸收，因而會增加光學損耗。

本文設計并實現(xiàn)了一種新型的有源區(qū)結(jié)構，首先降低有源區(qū)中n 型摻雜的濃度，以降低光損耗，同時，通過減小電子注入?yún)^(qū)中量子阱的厚度來提高電子注入效率，達到光增益區(qū)中注入電子和空穴數(shù)量平衡的要求。為了驗證該設計能否有效地平衡光增益區(qū)的電子和空穴數(shù)量，制作了具有薄電子注入?yún)^(qū)和厚電子注入?yún)^(qū)兩種不同有源區(qū)結(jié)構的激光器，通過器件性能表征和腔長分析得到這兩個激光器的閾值電流密度、外量子效率、內(nèi)量子效率、波導損耗、模式增益系數(shù)等性能參數(shù)，比較可知采用薄電子注入?yún)^(qū)器件波導損耗更低，達到了預期的設計目標。

1 有源區(qū)能帶結(jié)構

ICL 有源區(qū)的能帶結(jié)構如圖1（a），包含三個部分：光增益區(qū)（active QWs）、電子注入?yún)^(qū)（electron injector）和空穴注入?yún)^(qū)（hole injector）。電子注入?yún)^(qū)和空穴注入?yún)^(qū)之間是GaSb 和InAs 形成的二類異質(zhì)結(jié)構，在一定的外電場下InAs 的最低電子子帶和GaSb 的最高空穴子帶對齊，得到半金屬界面（semimetallic interface），實現(xiàn)載流子的共振隧穿輸運。光增益區(qū)中發(fā)生帶間躍遷，載流子壽命（ns 量級）大于注入?yún)^(qū)電子在子帶間中輸運時間（ps 量級），因此，光增益區(qū)的下能級、空穴注入?yún)^(qū)子帶、電子注入?yún)^(qū)子帶以及下一個級聯(lián)的光增益區(qū)的上能級具有共同的準費米能級EFi。再平衡設計之前的傳統(tǒng)ICL 有源區(qū)中，電子注入?yún)^(qū)通常采用中等摻雜。此外，為了在較低的外加偏壓下形成半金屬界面，電子注入?yún)^(qū)左側(cè)三個量子阱較厚，一個周期中電子注入?yún)^(qū)長度占有源區(qū)一半以上，離化的電子大多停留在前三個較寬的量子阱中，而空穴注入?yún)^(qū)的離化空穴幾乎全部注入光增益區(qū)，因而注入到光增益區(qū)中空穴數(shù)量遠大于電子數(shù)量，也就是電子和空穴數(shù)量不平衡。這導致了兩方面的問題：一方面，因PPN 型俄歇復合速率正比于空穴密度的平方，大量過?？昭ㄓ兄诙硇獜秃?，造成載流子壽命降低，光增益區(qū)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)需要的注入電流隨之提高；另一方面，空穴的自由載流子吸收截面較大［18-19］，造成較大光吸收損耗。

載流子再平衡設計的核心是通過大幅度提高電子注入?yún)^(qū)中n 型摻雜的濃度來提高注入到增益區(qū)中電子的數(shù)量，從而提高電子-空穴輻射復合的效率，但是摻雜濃度太高造成電子注入?yún)^(qū)中積累大量的自由電子，這些自由電子容易吸收增益區(qū)中的紅外光子，造成光損耗。此外，高摻雜引入的雜質(zhì)散射也會造成額外的損耗，這兩種損耗會提高激光器的閾值增益，影響器件性能。

為了減少高摻雜造成的損耗，本工作降低了電子注入?yún)^(qū)中的摻雜濃度，并縮短了電子注入?yún)^(qū)長度。所設計的有源區(qū)結(jié)構為2.5 nm AlSb/1.8 nm InAs/3.0 nm Ga0.7In0.3Sb/1.5 nm InAs/1.0 nm AlSb/3.0 nm GaSb/1.0 nm AlSb/4.5 nm GaSb/2.0 nm AlSb/3.4 nm InAs/1.2 nm AlSb/3.0 nm InAs/1.2 nm AlSb/2.6 nm InAs/1.2 nm AlSb/2.1 nm InAs/1.2 nm AlSb/1.8 nm InAs/1.2 nm AlSb/1.8 nm InAs，其中帶有下劃線的層中摻雜濃度為2.0 × 1018cm-3。圖1（b）是理論計算得到的電子和空穴濃度分布，在光增益區(qū)內(nèi)電子和空穴數(shù)量分別為1.2 × 1012cm-2和1.0 × 1012cm-2，滿足載流子平衡的要求。

圖1 有源區(qū)的能帶圖及載流子分布Fig.1 Band structure of the active region and carrier distributions

2 外延及工藝

激光器樣品S1 采用如圖1（a）的有源區(qū)結(jié)構，對比樣品S2 的有源區(qū)與文獻［17］中類似，其光增益區(qū)中GaInSb 層的In 組分為0.35，高于樣品S1 的0.3，電子注入?yún)^(qū)比S1 樣品厚，摻雜濃度與S1 相同。兩個樣品均在n 型GaSb 襯底（001）上通過分子束外延系統(tǒng)生長。首先生長500 nm 高摻的n 型GaSb 層作為緩沖層，摻雜濃度為1.0 × 1018cm-3，在上面生長3 μm 的InAs/AlSb（2.4 nm /2.4 nm）超晶格作為下波導包層，然后生長200 nm 的GaSb 下分別限制層，隨后繼續(xù)生長5 個周期的有源區(qū)，在有源區(qū)上面生長200 nm 的GaSb 上分別限制層和1.5 μm 的InAs/AlSb（2.4 nm /2.4 nm）超晶格上波導包層，最后覆蓋20 nm 重摻雜InAs 蓋層。3 μm 的超晶格下波導包層用于阻擋光學模式泄露到具有高折射率的GaSb 緩沖層，減少光學損耗。波導層中進行梯度摻雜，靠近有源區(qū)的部分摻雜濃度低，遠離的部分摻雜濃度高，以降低靠近有源區(qū)部分的光學損耗。此外，高折射率的GaSb 分別限制層能夠有效提高有源區(qū)和波導包層的折射率差，將光學模式限制在有源區(qū)附近，以增加光學增益。由于分別限制層靠近有源區(qū)，所以該層摻雜濃度盡可能低，避免自由載流子損耗。在激光器全結(jié)構中，各層之間插入具有漸變厚度的InAs/AlSb 啁啾超晶格，以消除界面處導帶能級的突變，提高電壓利用效率。

外延結(jié)束后，用脊波導工藝制作法布里-珀羅腔（Fabry-Perot，F(xiàn)P）器件。首先，通過接觸式光刻和濕法腐蝕（C6H8O7∶H3PO4∶H2O2∶H2O）工藝形成脊形波導，濕法腐蝕需越過有源區(qū)到下分別限制層中，以消除有源區(qū)中載流子的橫向擴散。采用等離子增強化學氣相沉積設備生長450 nm 厚的SiO2薄膜作為絕緣層，并用氫氟酸緩沖液在脊形條的頂部打開電注入窗口。稀鹽酸處理表面后，采用電子束蒸發(fā)設備沉積Ti/Pt/Au作為上接觸層，在上面電鍍5 μm 以上的Au 層以提高器件熱擴散，然后將襯底減薄到120 μm，沉積Ge/Au/Pt/Au 并退火形成下接觸層，最后解理成單個器件，利用銦金合金將管芯倒焊在熱沉上。

3 結(jié)果及討論

對S1、S2 兩個外延片制備出的器件進行性能表征，器件的腔長為4 mm，脊寬為20 μm，解理腔面上無鍍膜。在相同溫度下以CW 模式進行光功率-電流-電壓（Light-Current-Voltage，L-I-V）特性的測試，功率計探頭收集效率約90%，測試數(shù)據(jù)沒有進行相應的修正。用帶有水循環(huán)散熱的二級制冷系統(tǒng)對激光器熱沉的溫度進行控制，熱沉溫度的波動可控制在±0.5 ℃以內(nèi)。圖2 為這兩個器件在不同熱沉溫度下的CWL-I-V性能曲線，實線為S1 樣品，虛線為S2 樣品。

圖2 腔長4 mm、脊寬20 μm 器件CW 工作的L-I-V 特性Fig.2 The CW L-I-V characteristics for the 20-μm-wide and 4-mm-long devices

從圖中看到，S1 的開啟電壓（5.7 V）高于S2 的開啟電壓（3.4 V）。ICL 的開啟電壓Vturn-on主要受一個周期中的壓降V0、周期數(shù)N以及由串聯(lián)電阻ρ導致的額外壓降Vex影響，表示為Vturn-on=N·V0+Vex。兩個樣品有源區(qū)以外的結(jié)構完全相同，即Vex相同，因此導致開啟電壓差異的主要原因是壓降V0不同。有源區(qū)中的主要差異來源于電子注入?yún)^(qū)，圖3 比較了不同偏壓下半金屬界面附近的能帶結(jié)構，藍色為電子波函數(shù)，紅色為空穴波函數(shù)。圖3（a）為樣品S1，電子注入?yún)^(qū)中靠近半金屬界面的三個InAs 阱的厚度，分別為3.0、2.7、2.4 nm，圖3（b）為樣品S2，相應的三個InAs 阱厚度分別為4.2、3.2、2.5 nm。ICL 的工作原理要求開啟電壓下電子在半金屬界面處從空穴注入?yún)^(qū)共振隧穿到電子注入?yún)^(qū)，實現(xiàn)的必要條件是電子注入?yún)^(qū)的基態(tài)能級位置與空穴注入?yún)^(qū)的能級在一定偏壓下對齊，滿足共振隧穿的條件，即形成半金屬界面。樣品S1 的InAs 阱更薄，故基態(tài)能級位置更高，兩個樣品的空穴注入?yún)^(qū)子帶能級位置相同，因此S1 結(jié)構中需要更高的外加電場才能實現(xiàn)共振隧穿。通過計算可知，樣品S1 和S2 在分別在170 KV/cm 和85 KV/cm 的外電場下形成半金屬界面，另外，考慮有源區(qū)兩側(cè)過渡區(qū)的壓降，推測樣品S1 和S2 的開啟電壓有2 V 的差別，與實驗得到的差值2.3 V 相符合。

圖3 半金屬界面處附近的能帶結(jié)構Fig.3 Band structure near the semimetal interface in the active region

圖2 中的L-I曲線表明兩個激光器的閾值電流和斜率效率基本相同，10 ℃時，閾值電流為200 mA，注入電流為750 mA 時單面輸出光功率為55 mW。為了進一步分析激光器的性能，在10 ℃的熱沉溫度下測量了不同腔長器件的L-I-V特性曲線，這些器件的腔面均未鍍膜。各器件的L-I-V特性曲線給出外量子效率ηext和閾值電流密度Jth，根據(jù)半導體激光器變腔長分析理論，由速率方程給出閾值電流密度與外量子效率和腔長的關系［20］

式中，ηi為內(nèi)量子效率，αw為波導損耗，L為腔長，R1和R2分別為兩個腔面的反射率，這里取31%，qe和da分別為電子電荷量和有源區(qū)厚度，τ為載流子壽命，Γ為有源區(qū)的光限制因子，取16%，a為微分增益系數(shù)，ntr和Jtr分別為透明載流子濃度和透明電流密度，G為模式增益系數(shù)，表示為

由式（1）可知外量子效率的倒數(shù)和腔長呈線性關系，式（2）則表明閾值電流密度和腔長的倒數(shù)為線性關系。圖4 給出四個器件的外量子效率的倒數(shù)與腔長的關系，圖5 是閾值電流密度與腔長倒數(shù)的關系，其中紅色方塊為樣品S1 的數(shù)據(jù)，其對應的線性擬合用實線表示，黑色空心圓為樣品S2 的數(shù)據(jù)，對應的線性擬合用虛線給出。根據(jù)式（1）和（2），利用線性擬合得到斜率和截距，計算出器件的內(nèi)量子效率、波導損耗、模式增益系數(shù)、透明電流密度和載流子壽命，計算中所用的微分增益系數(shù)為a= 7.9 × 1016cm-2，取自文獻中ICL 動態(tài)測量的結(jié)果［21］，計算結(jié)果如表1。

圖4 外量子效率和腔長的關系Fig.4 Relationship between external quantum efficiency and cavity length

表1 腔長分析得到的ICL 器件性能參數(shù)Table 1 ICL performance parameters obtained by cavity length analysis

從表中的數(shù)據(jù)看出，樣品S2 的波導損耗明顯高于S1，而兩個樣品的摻雜濃度和結(jié)構均相同，唯一的區(qū)別是電子注入?yún)^(qū)不同。根據(jù)理論計算，載流子平衡時，S1 中光增益區(qū)里電子和空穴的數(shù)量相當，而S2 光增益區(qū)里空穴數(shù)量高于電子數(shù)量，在半導體激光器中，空穴的吸收截面高于電子，對波導損耗的貢獻占主要作用，因此S2 的增益區(qū)中過?？昭▽е赂鼑乐氐淖杂奢d流子吸收，使其表現(xiàn)出更高的波導損耗。值得一提的是，兩個樣品的載流子壽命基本相同，約為0.7 ns，該值與美國海軍實驗室的結(jié)果相近［22］。半導體激光器中載流子壽命主要受三個因素影響：自發(fā)輻射復合速率、自發(fā)非輻射復合速率和俄歇非輻射復合速率，其中，俄歇復合速率隨波長的增加而增大，ICL 工作波段位于中紅外，故俄歇復合過程在ICL 中占主導作用。根據(jù)載流子再平衡設計理論，空穴數(shù)量和電子數(shù)量相當時，俄歇過程能得到有效抑制，從而提高載流子壽命，因此理論上樣品S1 中實現(xiàn)了電子和空穴注入平衡，載流子壽命應該更長。但是，通過測試和擬合得到S1 結(jié)構與S2 結(jié)構的載流子壽命接近，推測有兩方面的原因：一方面，樣品S1 的增益區(qū)中GaInSb 層的In 組分為0.3，而樣品S2 中GaInSb 層的In 組分為0.35，所以樣品S2 增益區(qū)量子阱的應變更大，在大應變作用下，價帶的輕重空穴帶分離，對俄歇復合過程有一定的抑制作用；另一方面樣品S1 需要較高的偏壓形成半金屬界面，因此功耗較高，有源區(qū)實際溫度應高于樣品S2，高溫下俄歇復合更嚴重，降低了載流子壽命。樣品S1 中載流子平衡抑制了俄歇復合，但低應變量子阱的輕重空穴帶耦合有利于俄歇復合，在兩種效應共同作用下，雖然波導損耗明顯降低，但是載流子壽命、閾值電流密度、輸出功率等方面沒有明顯的改善，為此，后續(xù)工作中擬將S1 結(jié)構中增益區(qū)GaInSb 層的In 組分提高到0.35，保持S1 器件低波導損耗優(yōu)勢的同時，利用量子阱應變進一步降俄歇復合幾率，提高增益區(qū)載流子壽命，從而提升器件性能。

4 結(jié)論

本文設計了新型的ICL 電子注入?yún)^(qū)，降低了電子注入?yún)^(qū)中InAs 阱的厚度，提高了最低的電子子帶能級，使電子更容易注入到光增益區(qū)，從而將載流子再平衡所需的摻雜濃度降低到2.0×1018cm-3。實驗上，采用分子束外延方法生長了ICL 結(jié)構，制作了具有脊波導的FP 腔激光器，腔面未鍍膜的器件（4 mm×20 μm）10 ℃時閾值電流為200 mA，單面光輸出功率達到55 mW，變腔長器件分析給出波導損耗低至3 cm-1，證明設計的薄電子注入?yún)^(qū)能夠提高有源區(qū)中電子注入效率，從而在較低的摻雜濃度下實現(xiàn)光增益區(qū)中載流子再平衡，降低了自由載流子吸收造成的波導損耗。進一步提高增益區(qū)GaInSb QW 的應變，應該能夠抑制俄歇復合，降低閾值電流密度，從而提高器件的性能。