改进量子点激光器

将点的密度增加至少一个数量级,可以获得更快的激光器和更低的阈值电流

来自日本的一个团队声称，通过提高激光器中量子点的密度有了新突破, 这些激光器可用于光学网络和生物医学测量系统。

通过将点的密度增加至少一个数量级，东京电子通信大学（The University of Electro-Communications in Tokyo）的工程师们已经削减了器件中的有源层数。根据团队发言人 Koichi Yamaguchi 的说法，虽然传统的量子点激光器有大约十个活性层，但他们的器件可能只有一两个活性层。

Yamaguchi 透露，削减活性区厚度的优点之一是增强了载流子复合。

“此外，预计面内超高密度量子点层不仅可以降低阈值电流，还可以提高载流子进入量子点的比例并增强高速调制。”

该团队激光器的制造首先将 n+ GaAs (001) 衬底装入 MBE 反应器中，并沉积一个外延层，该外延层包含 200 nm 厚的 n 型 GaAs 缓冲层，1.5µm 厚的 n 型 Al_0.3Ga_0.7As 底部包层和 220 nm 厚的未掺杂 GaAs 基波导。后者具有一对包含超高密度面内 InAs 量子点的层，在 470 °C 下沉积，并使用 Stranski-Krastanov 生长模式在 GaAsSb 缓冲层上形成。

上图显示了脊波导激光器如何只有两个量子点层 (a)，这得益于原子力显微镜图像 (b) 中的高密度量子点。

这种异质结构的 X 射线衍射测量表明，缓冲层中的锑含量在 12% 到 14% 之间。根据原子力显微镜，这些点的密度为 5 x 10¹¹ cm^-2。该团队将锑表面活性效应归因于抑制点的聚结，这些点通常高 1.4 nm，宽 14 nm。

为了完成激光器的制造，工程师们添加了 1.5µm 厚的 p 型 Al_0.3Ga_0.7As 顶部包层和 200 nm 厚的 p+ GaAs 接触层。随后的光刻和湿法蚀刻形成了 20µm 宽的脊波导结构。随后对200 nm 厚的 SiO₂ 薄膜进行磁控溅射，然后定义 5µm 宽或 7µm 宽的窗口，然后添加一对电极 - 一个到衬底，另一个到 p+ GaAs 接触层。最后，该团队将图案化基板切割成激光芯片，以形成 200 µm 至 800 µm 的腔长。

这些激光器可以通过在其小平面上形成高反射率涂层来提供更好的性能，其阈值电流密度为 1-10 kA cm^-2。虽然室温下的连续波激光仅发生在 1021 nm，但通过添加 GaAsSb 覆盖层，发射可以转移到 1.2µm 至 1.3µm 范围。

研究人员声称，当他们的激光器在室温下运行时，相邻量子点之间的波函数会存在强耦合。这会在导带中产生一个微子带，从而产生了一个该团队称为“不那么高”的特征温度。

基于对腔长与阈值电流密度关系的分析，Yamaguchi 及其同事得出结论，他们的器件具有与其他量子点激光器相当的晶体质量。此外，他们说通过增加腔的长度和反射率，他们的激光器实现了较低的阈值电流密度。

通过将团队激光器的阈值电流与另一种设计进行比较，研究人员估计，最新设计中只有 41% 的量子点有助于产生激光。他们将这种弱点归因于不均匀的展宽。

“面内超高密度量子点的均匀性仍然不足，”Yamaguchi认为。 “所以，将来有必要提高均匀性。”

参考资料

M. Tanaka et al. Appl. Phys. Express 14 124002 (2021)