InAs量子点面发射激光器的概述

东京大学荒川泰彦教授（Y. Arakawa）在1982年提出量子点结构的概念，在1994年柏林工业大学D. Bimberg教授和俄罗斯loffe物理技术研究所N. N. Ledentsov团队首次利用MBE成长Al0.3Ga0.7As/In0.5Ga0.5As/Al0.3Ga0.7As双异质接面结构，其中In0.5Ga0.5As因为应变导致形成岛状的量子点结构，所制作的边射型雷射可以在液态氮冷却下电激发光操作，而且在50~120K温度范围内特性温度T0可以高达350K，显示该雷射二极体阈值电流值不大会随着温度变化，因为量子点发光频谱已经不再单纯由材料能隙所决定，而是受到量子点尺寸大小造成的载子局限效应量化能阶所主导，这个高温度稳定性对于长波长半导体雷射相当重要，特别是在远距离光纤通讯光收发模组主动光源应用。随后InGaAs或InAs量子点成长在砷化镓基板制作红外光半导体雷射陆续被报导。

在2000年时美国空军技术学院J.A. Lott与俄罗斯loffe物理技术研究所N. N.Ledentsov和柏林工业大学D. Bimberg教授团队合作共同发表InAs/In0.15Ga0.85As（5nm）的量子点发光层面射型雷射，可以在20°C下脉冲电激发光操作，发光波长为1.3μm。该结构利用固态源分子束磊晶（solid-source MBE）直接成长在n型掺杂砷化镓基板上，上下DBR分别由5.5对和7对AlAs/GaAs所组成，在稍后制程中被氧化为A1Ox/GaAs介电质/半导体混成式DBR以获得高反射率。发光层与DBR之间分别被上下两层1λ厚的GaAs间隔层（spacer）隔开，由于上下DBR氧化后形成AlOx无法导通电流，因此注入电流就必须透过紧邻活性层的这两层间隔层及金属电极来达成。发光层基本上是由2.5倍单层原子层（monolayer）厚度的InAs以及覆盖在其上的5nm厚In0.15Ga0.85As形成量子井包覆量子点结构（dot-in-well） 中间再以25nm厚的GaAs隔开形成三重量子井结构。元件结构如下图6-5所示。由于磊晶成长机制的关系，成长2.5倍原子层的磊晶时间并不足以让InAs材料形成均匀连续的平整薄膜，反而会在局部形成金字塔状的小岛（pyramidal islands），这些密度约为5×1010cm-2的小岛就是量子点，可以有效局限注入载子在小范围内形成发光复合，而且发光波长通常会比InAs块材 （bulk mnaterial）来的短，因为载子被局限在与其物质波波长相近的范围内时，其能阶分布会形成不连续的量化能阶（quantized energy states），因此可以让原本晶格常数远大于砷化镓且发光波长超过1.55微米的InAs材料有机会直接成长在砷化镓基板上并发出波长在1.3~1.55微米范围的光，

稍后在2001年该团队也达到连续波操作的成果。并将DBR高铝含量材料分别由AlAs换成Al0.98Ga0.02As再氧化成Al（Ga）O以及全磊晶未掺杂的Al0.9Ga0.1As/GaAs半导体DBR，配合共振腔间电极接触（intracavity contact） 注入电流均可达到室温下连续波电激发光操作的成果。

2005年时工研院与俄罗斯loffe物理技术研究所及交通大学团队合作，首次利用MBE系统成长全掺杂的GaAs/Al0.9Ga0.1As DBR制作出室温下连续波操作电激发光的量子点面射型雷射，并且利用光子晶体结构改善单模操作之旁模抑制比最高达到40dB。所采用的磊晶结构如下图6-6所示，采用n型掺杂砷化镓基板先成长33.5对1/4波长的n型掺杂GaAs/Al0.9Ga0.1As DBR，接着成长2λ厚的GaAs活性层，活性层中成长九层2-monolayer的InAs并以8nm厚的In0.15Ga0.85As覆盖形成量子井包覆量子点结构，每层量子井之间以30nm厚的GaAs隔开，全部九层量子井被分三组，每组均为三重量子井结构，被平均分配在2λ共振腔中的三个电场强度驻波峰值（standing wave peak position）位置以获得最大的增益，接着继续成长27对p型DBR。由于上下DBR均有施加掺杂，因此可以用砷化镓系列材料面射型雷射制程方式来制作元件，包括选择性氧化孔径以及上下电极均直接沉积在磊晶片最上层表面与基板背面，无须采用复杂的共振腔间电极接触方式。实际制作的元件可以在室温下连续波操作，阈值电流仅为1.7mA，最大输出功率为0.33mW，发光波长1275nm且为单横模操作，旁模抑制比为28dB，进一步在发光区制作光子晶体结构时可以提高旁模抑制此达到40dB，显示InAS/InGaAs量子点结构确实适合用于长波长面射型雷射发光区增益介质。

采用量子点结构制作面射型雷射还有一个比其他材料更具优势的特性，如同本书3-4节介绍面射型雷射操作温度特性时所述，以及图3-10所描述发光层材料增益频谱随温度上升而往较长波长红移的速度，比共振腔纵模（也就是主要发光波长）还要快的多，因此在不同温度下操作时由于元件温度上升，会使阈值电流大小发生变化，评估一个雷射元件阈值电流大小是否容易随着温度变化而改变的特性参数称为特性温度（characteristics temperature, T0），T0通常跟发光层增益材料有关，如前面所述InP系列材料因为导带能阶差异较小，因此电子容易因为温度上升而溢流，导致雷射在较高温度下就需要更高注入电流才能达到雷射增益，因此其T0相对较低，一般多在60~80K，采用AlInGaAs等与InP晶格匹配材料可以稍微提升到70～90K，而一般典型GaAs材料850nm面射型雷射特性温度就有140K左右，采用InAs/nGaAs量子点发光材料后，由于增益频谱变成受到量子点尺寸大小影响，不再受半导体材料能隙大小主导，因此其温度效应变的很小，也就是说增益频谱波长不大会随着温度上升而明显往长波长红移，所以利用InAs/InGaAs材料所制作的雷射元件其T0值轻易都可以超过350K，甚至经过仔细的调整增益频谱峰值波长与共振腔波长的差异（gain-cavity mode detuning），有机会在光通讯模组操作温度范围-5～75°C甚至更严苛的-40～85°C温度范围内达到T0值接近无限大的结果，也就是说在这个温度范围内阈值电流值几乎不随着温度变化而改变。

通常面射型雷射较一般雷射二极体具有更好的高温操作特性，而且发光波长对温度变化率也远低于传统边射型雷射。图6-7显示一个850nm氧化局限面射型雷射变温测试光输出功率对电流（L-I）特性曲线，由图中可以观察到当元件操作温度从20°C提高到90°C时，阈值电流值从1.3mA增加到2.2mA，最大输出功率从5mW降低为2.2mW。借由元件在不同温度下操作的阈值电流值可以计算出该雷射的特性温度，其公式如下：