InGaAs/GaAs/InGaP量子阱激光器的温度电压特性

李金友 王海龙* 杨 锦 曹春芳 赵旭熠 于文富 龚 谦*

(1.曲阜师范大学物理工程学院山东省激光偏光与信息技术重点实验室，山东曲阜 273165；2.中国科学院大学信息功能材料国家重点实验室，上海 200050； 3.中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海 200050)

1 引 言

目前量子计算机需要在低温环境下工作，其与室温之间的数据传输是一个难点。由于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]。基于半导体激光器的这些性能，可以用半导体激光器实现量子计算机与室温间的数据传输。这需要半导体激光器工作在低温环境下，因此针对低温半导体激光器展开了大量的研究[7-12]。1990年，Ijichi等[13]采用低压金属有机化学气相沉积法(LP-MOCVD)生长出分离限制结构的单量子阱激光器，波导层和量子阱层材料分别为 In0.49-Ga0.51P 和 In0.22Ga0.78As，在 2.5 mm 腔长、7 μm 脊条宽度的器件中实现了阈值电流密度为72 A/cm2，内损耗为6.4 cm-1，器件的性能优于当时的InGaAs/GaAs/AlGaAs单层应变量子阱激光器，从此以InGaP材料作为波导层的研究受到广泛关注。近年来，在InGaAs/GaAs/InGaP量子阱激光器研究方面取得了很多成果[14-16]。

本文研究了InGaAs/GaAs/InGaP量子阱激光器的温度电压特性，并建立了一个理论模型来描述该激光器的温度电压特性。

2 实 验

实验所用激光器材料采用VG 90气态源分子束外延设备在N+GaAs(100)衬底上外延生长。如图1所示，首先生长500 nm的GaAs缓冲层，接着生长两层掺Si浓度不同厚度均为500 nm的InGaP下包覆层，后续依次为3个原子层的GaAs下盖层、160 nm的下势垒层、8 nm的InGaAs量子阱层有源区、160 nm的上势垒层、两层掺Be浓度不同的InGaP上包覆层、3个原子层的GaAs上盖层、100 nm的GaAs上接触层。详细的外延生长条件文献[17]已有报道。

在材料生长完成后利用FP腔激光器制备工艺，制备了脊条宽度为3 μm、腔长为0.3 mm的激光器，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。

图1 InGaAs/GaAs/InGaP量子阱激光器的材料生长结构图Fig.1 Schematic sample structure of an InGaAs/GaAs/In-GaP quantum well laser

3 理论模型

半导体激光器的电压和电流特性为[18]：

其中，k为玻尔兹曼常数，q为电子电荷量。流过激光器的电流I(V)取决于反向偏压饱和电流Is、温度T和电压V，假设饱和电流和电压不随温度变化。为方便起见，将q/kT项写为热电压VT(T)：

将公式(2)带入公式(1)，加上半导体激光器的串联电阻电压，得到半导体激光器的电压公式：

其中，I为流过激光器的电流，Rs为激光器的串联电阻，着重考虑Is的影响[18]：

其中A为器件的横截面积，D(下标p和n代表p型和n型区域)是载流子扩散系数，N(下标D表示施主，A表示受主)是施主和受主的浓度，L是载流子扩散长度，ni是本征载流子的浓度。

由此得到激光器的电压随温度和电流变化的关系式为：

其中，V(I，T)为激光器的电压。下面对公式(5)中ni(x，T)项进行详细推导。

实验中激光器量子阱材料为GaxIn1-xAs，其禁带宽度Eg随材料组分和温度变化为[19]：

可以把公式(6)表示为：

其中x的值为0.8，表1给出了Eg(0)、α和β的值，将其带入公式(7)可以得到公式(8)[20]：

公式(8)即为三元化合物GaxIn1-xAs材料禁带宽度的理论计算公式。

表1 参数Eg(0)、α和β的参考值Tab.1 Reference values of Eg(0)， α and β

GaxIn1-xAs材料中本征载流子浓度随材料组分和温度的变化可表示为[21-22]：

其中ε=Eg/kT，mdh是价带的态密度质量：

lh和hh分别表示轻空穴和重空穴。采用线性插值方案来关联有效质量和组分：

利用以前测得的质量值得到[23]：

4 结果与讨论

4.1 器件测试结果

如图2所示，随着温度的降低，激光器的IV曲线逐渐上移，当温度恒定时，器件的电压随注入电流增大，当电流达到一定数值后，电压趋于平稳，I-V曲线趋于平缓。当激光器在正向导通后，选取4个固定的电流值10，20，30，40 mA分析InGaAs/GaAs/InGaP量子阱激光器在15～300 K范围内电压随温度的变化特性，如图3所示。

图2 激光器在15～300 K的I-V曲线Fig.2 Voltage as a function of current for the laser from 15 to 300 K

由图3可知，量子阱激光器的电压随温度变化在15～100 K与100～300 K这两个温度范围内近似为线性关系，这与GaN基发光二极管的温度电压关系相似[24]。但这两个温度范围内电压随温度变化的线性斜率不同，产生这一现象的原因是随着温度升高激光器材料中载流子浓度发生变化所致，在温度100 K左右激光器内部载流子浓度可能存在突变。

为方便描述定义一个M参数，其数值对应于dV/dT，含义为温度每变化1 K激光器电压变化的幅度，单位为mV/K。分别对两个温度范围的M参数进行了计算，结果如表2所示。

图3 不同电流下电压随温度的变化Fig.3 Variation of voltage with temperature for different injection currents

表2 实验得到的不同正向电流下激光器的M参数值Tab.2 Measured M parameters of the laser under different forward current

在量子阱激光器中发现电压随温度变化几乎是线性关系，但是每一个固定的注入电流下dV/dT的值不同，随电流的增加dV/dT的绝对值增大。随着激光器工作温度的逐渐升高，半导体材料的带隙变小，p-n结的势垒下降，载流子更容易通过势垒。对激光器施加电流，在内部会由于热损耗而产生热量，当单位时间产生的热量无法及时散去，就会有热的积累，使激光器的内部温度比实际的环境温度高。在相同电流下，由于温度升高，加在器件两边的电压会下降，注入电流越大，器件内部温度就越高，电压下降越快。这种性能的变化主要是由器件结温升高引起的。

4.2 数值模拟与结果分析

图4为利用前面建立的理论模型计算得到的激光器在15～300 K的I-V曲线。与实验数据相比，在小电流时存在一定的误差，这可能是由于模型是按照理想情况下激光器的工作特性来考虑的，有些影响因素没有考虑。采用与实验数据相同的分析方法，取4个固定的电流值10，20，30，40 mA分析激光器在15～300 K范围内的电压温度关系，如图5所示。

图4 计算得到的激光器在15～300 K的I-V曲线Fig.4 Calculated I-V curves of the laser from 15 to 300 K

图5 计算得到的在不同电流下电压随温度的变化Fig.5 Calculated variation of voltage with temperature for different injection currents

表3 计算得到的不同正向电流下M参数值Tab.3 Calculated M parameters of the laser for different forward current

表3是通过理论模型计算得到的激光器在不同正向电流下的电压温度系数。在15～100 K，电压温度系数为2.56～2.75 mV/K；在100～300 K，电压温度系数为3.91～4.15 mV/K。与表2的实验数据比较可知，在100～300 K，实验值与理论计算的数值相差较小，能较好地模拟该激光器的温度电压特性；但在15～100 K，实验值与理论计算的数值相差较大。这可能是由于模型建立时所用的计算公式忽略了激光器工作时内部发热的现象，在低温下激光器工作时产生的热量对其性能的影响较大。

5 结 论

本文主要对研制的InGaAs/GaAs/InGaP量子阱激光器在不同温度(最低至15 K)下的温度电压特性进行了研究，并建立了相关理论模型进行描述。实验测得激光器在15～100 K的电压温度系数为7.87～8.32 mV/K，100～300 K的电压温度系数为2.93～3.17 mV/K。由理论模型计算得到的激光器在15～100 K的电压温度系数为2.56～2.75 mV/K，100～300 K的电压温度系数为3.91～4.15 mV/K。该模型对InGaAs/GaAs/InGaP量子阱激光器温度电压特性的模拟在100～300 K具有较大的实用价值，在15～100 K则还需进一步完善。