低温下GaSb 基量子阱激光器的光电特性研究*

李金友，王海龙＊，杨 锦，曹春芳，赵旭熠，龚 谦

（1.曲阜师范大学物理工程学院，山东 曲阜 273165；2.中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室，上海 200050）

0 引言

半导体激光器具有光谱纯度高、波长覆盖范围广、结构紧凑、效率高、成本低、可靠性好、使用方便和易于集成等优点，已被广泛应用于光通信、雷达、光检测、测距、双波长干涉和光学数据存储等系统中[1-6]。近年来，激射波长在中红外范围的室温工作GaSb 基量子阱激光器受到了人们的广泛关注[7-8]。在2013 年，徐云等人[9]成功研制出了激射波长在2 μm 波段，阈值电流密度为144A/cm2，内部损耗为11 cm-1，斜效率为0.2W/A，内量子效率为27.1%，输出最大功率为357mW 的室温工作GaSb 基量子阱激光器。但其在低温下的性能却很少有人去进行深入的探究。在低温下，激光器的某些性能会存在一定的改变[10-13]。因此，研究GaSb基量子阱激光器的低温性能，对深入解析激光器的内在机理有着重要的意义。

本文研究了GaSb 基量子阱激光器在低温下（最低到15K）的电学特性，光谱以及功耗性能。

1 实 验

GaSb基量子阱激光器的材料是采用DCA P600/450固态源分子束外延设备在GaSb（001）衬底上外延生长的。衬底选用的是n 型的GaSb（001）衬底，先对衬底进行高温脱氧。再降低温度，生长一层厚度为500 nm 的n 型GaSb 材料，作为缓冲层；然后再生长35 个周期的GaSb/AlSb，作为过渡层。接下来依次为1.5 μm 的AlGaAsSb 限制层、450 nm 的AlGaAsSb 下波导层、两个 InGaAsSb 量子阱、两个InGaAsSb 阱之间用厚度为20 nm 的AlGaAsSb 作为垒层进行隔离、1.5 μm 的AlGaAsSb 上限制层、35 个周期的GaSb/AlSb 过渡层、500 nm 的掺Be 的p 型GaSb 上接触层。详细的外延生长条件文献[14]已有报道。其结构示意图如图1 所示。

图1 GaSb 基量子阱激光器材料结构

在材料生长完成后利用FP 腔激光器的制备工艺进行激光器的制备。制备了腔长为2.0 mm 的激光器，脊条宽度分别为8 μm 和10 μm，激光器为双面出光，未进行镀膜处理。其基本流程包括：外延片清洗、脊波导的光刻与刻蚀、钝化膜的生长、窗口的制备、电极的制备、芯片解理以及最后的封装测试。

2 结果与讨论

2.1 低温下GaSb 基量子阱激光器的电学特性研究

测试所用的GaSb 基量子阱激光器的腔长为2.0 mm，脊条宽度分别为8 μm 和10μm。图2 是在15K 下两个激光器的电流电压特性。从图2 可以看出，脊条宽度分别为8 和10 μm 的器件，其微分电阻dV/dI 分别是10.84 和8.61Ω。在15K 下GaSb基量子阱激光器，随着脊条宽度的增加，器件的微分电阻减小。

图2 不同脊条宽度的微分电阻和I-V 曲线

半导体材料中，温度变化对材料的性能有很大的影响，例如材料的电导率、电阻率、载流子的迁移率以及载流子的浓度等[15]。激光器的导电性与p-n结耗尽区势垒高度、载流子的浓度有极强的关联性。图3 给出了低温下温度变化对器件的I-V 特性以及微分电阻的影响。

从图3 中可得出，随工作温度的升高激光器的开启电压和微分电阻都在下降。对微分电阻的阻值计算，应该选取I-V 曲线趋于稳定时的切线斜率，当电流为40 mA 附近时I-V 曲线已经变得很平滑，故电流与电压的变化比值的平均值与微分电阻的阻值极其相近，故选取此电流附近的电流与电压的变化比值的平均值来作为激光器微分电阻值，具体计算数值如表1 所示。随着器件工作温度的升高，虽然在半导体材料中由于杂质和晶格加强了载流子的散射，且降低了半导体材料的电导率，但是温度的升高也同时降低了材料的带隙[16]。在半导体激光器中，势垒的降低会使载流子更加容易的穿过势垒，导致了器件的电导率随着温度的升高而变大，降低了激光器的微分电阻，所以激光器微分电阻值的下降主要是由于p-n 结势垒的降低而引起的。

图3 激光器的I-V 随温度变化

表1 不同温度下激光器的微分电阻值的变化

从15-65 K 脊条宽度为8 μm 的激光器微分电阻从15.01 Ω 降到了9.01 Ω，变化幅度为0.10 Ω/K。脊条宽度为10 μm 的激光器微分电阻从14.44Ω 降到了8.91 Ω，变化幅度为0.09 Ω/K。这表明GaSb基量子阱激光器在低温下依然遵循着室温下半导体激光器的参数变化规律，且性能有所改善。

2.2 低温下GaSb 基量子阱激光器的功耗研究

测试所用的GaSb 基量子阱激光器的腔长为2.0 mm，脊条宽度分别为8 μm 和10 μm。分别对这两个激光器进行同环境测试。下图4 和5 分别为两个GaSb 基量子阱激光器在15 K 下的I-V，I-P 曲线。由图4 和5 可知，在15 K 下腔长为2.00 mm 的GaSb 基量子阱激光器，条宽为8 μm 时，阈值电流Ith=12 mA，此时电压为3.46 V，功耗为41.52 mW；条宽为10 μm 时，阈值电流Ith=6 mA，此时电压为2.60 V，功耗为15.60 mW。相较于室温，在低温下器件的阈值电流和功耗都有所下降。条宽为10 μm的激光器比8 μm 的激光器在功耗上下降了很多。表明在相同的外界条件下激光器的条宽越宽器件的功耗越低。但条宽为10 μm 的器件的光功率曲线比较弯曲，表明器件的稳定性较差。

图4 15K 下条宽为8μm 的激光器I-V，I-P 曲线

图5 15K 下条宽为10 μm 的激光器I-V，I-P 曲线

2.3 电流与温度对光谱的影响

由图6 可以看出GaSb 基量子阱激光器的中心波长随着注入电流的增大在逐渐向长波长方向移动。这是由于电流的增加有源区温度升高，进而激光器的禁带宽度变小，故光谱出现红移的现象。图6 中插图表示激光器中心波长随电流增加时的移动曲线，此时激光器的光谱移动表现出分段特性。在8-10 mA 内的光谱漂移为0.39 nm/mA，在10-20 mA内为0.02 nm/mA。

图6 GaSb 基量子阱激光器的光谱红移现象

图7 是GaSb 基量子阱激光器在10 mA 注入电流下的光谱随着注入温度的增加发生红移的测试结果。由图可以看出随着外加温度在15-65 K 变化，激光器的激射波长逐渐增加，变化范围为1803.9-1819.6 nm。从图7 中的插图可以看到在15-65 K 范围内激光器的波长增加逐渐趋于线性，通过直线拟合，得到激光器的光谱红移速度为0.316 nm/K。

图7 温度对GaSb 基量子阱激光器光谱的影响

3 结语

本文主要研究了GaSb 基量子阱激光器的光电特性和功耗。激光器的条宽为8 μm 时，功耗为41.52 mW；激光器的条宽为10 μm 时，功耗为15.60 mW。激光器的中心波长随着注入电流的增大逐渐向长波长方向移动，在8-10 mA 内的光谱漂移为0.39 nm/mA，在10-20 mA 内为0.02 nm/mA。在15-65 K 内，激光器的波长逐渐增加，变化范围是1803.9-1819.6 nm，光谱红移速度为0.316 nm/K。这些参数的测量对GaSb 基激光器进一步应用具有重要意义。