中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近日，中國科學(xué)院半導體研究所的研究人員在《光學(xué)學(xué)報》期刊上發(fā)表了題為“MOCVD生長(cháng)的瓦級中波紅外高功率量子級聯(lián)激光器”的最新論文，報道了通過(guò)金屬有機物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)生長(cháng)的高性能瓦級中波紅外量子級聯(lián)激光器（QCL）。通過(guò)優(yōu)化MOCVD生長(cháng)條件，實(shí)現了高界面質(zhì)量雙聲子共振結構材料生長(cháng)，制備出室溫連續（CW）功率最高為1.21W的4.6μm QCL。本研究工作對于提升QCL材料制備效率、推進(jìn)QCL技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應用具有重要意義。
基于子帶間躍遷的QCL是中遠紅外波段理想的激光光源，通過(guò)精巧的能帶結構設計可突破半導體材料本征帶隙限制、實(shí)現波長(cháng)拓展，是半導體激光器發(fā)展史上具有里程碑意義的器件，在紅外光電對抗、環(huán)境檢測、工業(yè)過(guò)程監測、自由空間通信等國民經(jīng)濟和國防安全眾多領(lǐng)域具有迫切應用需求。
自QCL發(fā)明以來(lái)，材料制備主要以分子束外延（MBE）技術(shù)為主。隨著(zhù)MOCVD設備的不斷發(fā)展，基于MOCVD技術(shù)的QCL研究也逐漸發(fā)展。雖然分MBE技術(shù)可以更好地控制界面以及層厚，從而實(shí)現高性能QCL，但是隨著(zhù)QCL的廣泛使用，MBE技術(shù)由于超高真空操作工藝，生產(chǎn)效率低、成本高，限制了QCL的產(chǎn)業(yè)化應用推進(jìn)。具有高效率特性、更適合于產(chǎn)業(yè)化的MOCVD技術(shù)是實(shí)現QCL材料高效制備的重要選擇，基于MOCVD技術(shù)的高性能QCL研究對于推進(jìn)QCL產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有重要意義。
基于此，本文報道了通過(guò)MOCVD生長(cháng)的高性能中波紅外QCL。通過(guò)MOCVD生長(cháng)條件優(yōu)化，獲得了高界面質(zhì)量應變補償InGaAs/InAlAs/InP QCL材料，制備出室溫CW功率最高為1.21W的4.6μm QCL。
材料外延與器件制備
使用Aixtron CCS 3×2″ MOCVD設備生長(cháng)全結構，生長(cháng)環(huán)境為低壓（100mbar，1bar=0.1MPa）。III族前驅體是三甲基銦［TMIn，In(CH3)3］、三甲基鎵［TMGa，Ga(CH3)3］、三甲基鋁［TMAl，Al(CH3)3］和三乙基鎵［TEGa，Ga(C2H5)3］，V 族前驅體是砷烷（AsH3）和磷化氫（PH3）。n 型摻雜劑前驅體是在氫氣中平衡的稀釋甲硅烷（SiH4）（濃度為0.02%）。QCL在N型InP襯底（Si，摻雜濃度為2×101?cm?3，即單位立方厘米體積內的原子數為2×101?）上生長(cháng)。外延生長(cháng)溫度為600~700℃ 。QCL有源區的生長(cháng)速率在0.1~0.5nm/s 之間，波導和蓋層（N型摻雜的InP）的生長(cháng)速率為0.3~0.8nm/s，生長(cháng)過(guò)程中反應物質(zhì)中的V族元素總物質(zhì)的量與III族元素總物質(zhì)的量之比約為100。
所生長(cháng)材料有源區分別包括30級（樣品1）和40級（樣品2）應變補償In0.668Ga0.332As/In0.361Al0.639As耦合量子阱結構。整個(gè)外延結構如下：3.0μm下包層（Si，單位立方厘米體積內的原子數為2.2×101?），30級或40級有源/注入區，其中有源區結構層厚為2.76/1.67/2.46/1.77/2.17/1.87/2.07/2.07/1.97/2.07/1.77/2.66/1.77/3.74/1.22/1.32/4.37/1.32/3.86/1.42/3.66/2.24，加粗數字為In0.362Al0.638As的層厚，不加粗數字為In0.668Ga0.332As的層厚。4μm（InP）上覆層（Si，單位立方厘米體積內的原子數為2.2×101?）和0.6μm覆蓋層（Si，單位立方厘米體積內的原子數為5×101?）
為表征材料的光電特性，外延晶片被制作成雙溝波導器件，圖1（a）展示了所制備器件結構的二維示意圖。圖1（b）是樣品1的器件在高倍光學(xué)顯微鏡下的橫截面圖。
圖1 樣品器件的結構模型及實(shí)際測試的結構。（a）器件結構的二維示意圖；（b）樣品1在高倍光學(xué)顯微鏡下的結構
器件性能測試
圖2（a）是所制備器件測得的功率P、電壓V隨電流I變化的曲線(xiàn)（P-I-V曲線(xiàn)），30和40級有源區材料所制備的器件的283K CW的最高輸出功率分別為1.02W和1.21W，成功實(shí)現室溫連續輸出功率超過(guò)瓦級。高功率是QCL進(jìn)行實(shí)際應用的重要技術(shù)指標，本研究工作是國內首次基于MOCVD技術(shù)制備出瓦級功率輸出的中波紅外QCL材料和器件，對于推進(jìn)QCL技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應用具有重要意義。圖2（b）是利用傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）測試的樣品1和樣品2的激射譜，FTIR在快速掃描模式下以0.125cm?1的分辨率進(jìn)行測試，樣品1和樣品2的激射波長(cháng)均約在4.6μm，說(shuō)明生長(cháng)中組分和層厚差異不大，器件性能差異與設備生長(cháng)參數漂移關(guān)系不大。圖2（b）插圖是利用光束分析儀測試的樣品1脈沖模式工作下的光斑圖像，橫模是影響QCL實(shí)際應用的另一個(gè)特性，通過(guò)將光束分析儀放置在距離準直芯片20cm處，可以清楚地觀(guān)察到基橫模（TM00），這種TM00光束更適用于實(shí)際應用。
圖2 樣品1和樣品2在CW模式下的P-I-V曲線(xiàn)及略高于閾值的光譜。
（a）不同生長(cháng)級數鍍膜器件在283K CW模式下的P-I-V曲線(xiàn)；
（b）樣品1和樣品2的電流略高于閾值的光譜（插圖是樣品1在室溫脈沖模式下的光束圖像）
為了進(jìn)一步探究溫度對器件的影響，分別測試了樣品1和樣品2制備器件在CW條件下不同溫度的PI-V曲線(xiàn)。圖3（a）顯示樣品1在CW模式下工作溫度高達393K，輸出功率仍有30mW，WPE為0.3%。但是樣品2的高溫特性表現得非常差，圖3（b）展示當溫控系統升溫至333K時(shí)，器件的CW輸出功率已經(jīng)從1.21W（283K）降低到210mW，而30級器件在353K時(shí)仍具有300mW 的輸出功率，這說(shuō)明樣品2相比樣品1具有更嚴重的熱積累效應，熱反轉效應非常明顯，使得器件無(wú)法實(shí)現高溫工作。
結論
報道了通過(guò)MOCVD生長(cháng)的高性能中波紅外QCL材料及器件。通過(guò)優(yōu)化生長(cháng)條件獲得了高界面質(zhì)量的應變補償InGaAs/InAlAs/InP QCL結構，制備出室溫下CW功率最高為1.21W的4.6μm QCL器件，國內首次基于MOCVD技術(shù)研制出輸出功率超過(guò)瓦級的中波紅外QCL。具體研究了生長(cháng)的30和40級有源區材料所制備器件的性能，探究了不同級數對器件性能的影響。相比于30級有源區器件，40級有源區器件的單位面積等效輸出功率沒(méi)有明顯提升，但器件性能隨溫度的升高迅速下降，這歸因于更加顯著(zhù)的熱積累效應和外延材料變厚導致的質(zhì)量惡化，因此，在通過(guò)增加有源區周期數提升器件功率時(shí)，需要充分考慮有源級數、熱積累和材料生長(cháng)質(zhì)量等因素之間的平衡。MOCVD是半導體材料產(chǎn)業(yè)界普遍采用的技術(shù)，本研究工作對于提升QCL材料的制備效率、推進(jìn)QCL技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應用具有重要意義。
