采用应变工程原理实现高性能中红外波段DWELL激光器结构

本项目针对中红外锑化物激光器向长波方向拓展，激光器效率、功率等性能会随之变差的问题。探索将应变工程原理制备的双层或多层堆错InGaSb量子点植入量子阱。由于有效隧穿作用使双层或多层堆错量子点的发光主要来自于顶层量子点，其可被用作高效的发光点而提高发光区的光学性能和结构质量。同时，由于顶层量子点的尺寸和所含In组分增大，顶层量子点的发光波长也会向长波长波段移动。通过改善量子点/量子阱结构质量和均匀性，分析生长参数对量子点/量子阱耦合质量的影响，解决在量子阱激光器中因拓展波长而提高阱层的In和As的组分，使量子阱对载流子的限制作用差，泄漏几率大，器件量子效率降低，光模吸收以及俄歇吸收效应突出，内损耗增加对激光器性能产生的不利影响，进而实现采用应变工程原理制备DWELL激光器结构原型器件的目标，如能取得预期结果，将为制备高性能、长波长中红外半导体激光器提供切实可行的新手段、新思路。

主要围绕2.0μm近、中红外波段半导体激光器材料和器件开展了研究工作，主要开展的研究内容如下： .1）深入开展了外延生长量子点激光器材料研究， 分析了生长温度、生长速度、V/III族束流比、掺杂浓度以及量子点密度、形状等对生长质量和发光效率的影响；首次采用Sb敏化和InGaAs应变减小层技术拓展波长的同时，优化生长速率和退火温度，分析了结构参数对量子点结构的光学性质和电学性质的影响。.2）主要开展了InGaAs(Sb)的优化生长研究。优化材料生长条件和结构设计，开展高质量、高发光效率的InGaAsSb/AlGaAsSb量子阱生长研究，提高有源区增益、降低激射阈值；获得了高均匀性、高晶体质量的InGaAsSb/AlGaAsSb材料，获取了提高量子阱结构生长质量的技术手段。.3）深入开展了GaSb基量子阱材料的器件工艺研究。.（1）解决了GaSb基材料的刻蚀、钝化和欧姆接触等关键工艺技术问题；.（2）评价和表征了器件特性，分析了影响器件阈值、效率等因素。.4）开展了位于2μm波段低维In(Ga)As(Sb)量子点激光器材料、中红外锑化物量子阱In(Al)GaAsSb激光器技术研究。.（1）系统研究了影响量子点的生长因素。开展了采用多层量子点在量子阱中（DWELL）结构的激光器研究。为了提高激光器有源区量子点的均匀性，增加有效激射量子点的数目，采用多层量子点结构，通过选择适当的量子点间隔层厚度，利用存在于量子点层之间应力的相互作用，使量子点在垂直方向上相互吸引，形成大尺寸量子有源区的“应变人工控制”，不但增大了量子点的体密度，还有效地改善了量子点分布的均匀性。.（2）采用分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，MBE) 生长技术，制备了波长位于1.6-2.3μm的InGaAsSb/AlGaAsSb多量子阱结构材料。在此基础上制备的2.2μm波长激光器，测得激光器件的阈值电流密度为187A/cm2，斜率效率为0.2W/A，室温下连续输出功率达到320mW。波长随注入温度的变化率约为0.28nm/℃。当温度从20℃升高到60℃时，斜率效率由20.1% 减小到10.8%。 制备的DWELL结构激光器，输出功率可达700mW，电光效率约为26%。