2009,半导体所,量子点超辐射发光管研究进展

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量子点超辐射发光管研究进展

吕雪芹,王佐才,金 鹏,王占国

(中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室,北京 100083)

摘要:简要回顾了超辐射发光管(SLD)的发展历史、量子点SLD的提出及优点,介绍了SLD 的工作原理、器件结构及表征参数,详细分析了近年来国内外各研究小组在提高量子点SLD 性能方面的研究进展。基于自组织量子点的尺寸非均匀分布特征、优化的有源区结构设计以及高的光学质量,量子点SLD目前的研究水平已远远超过量子阱SLD。例如,量子点SLD的输出光谱宽度可达到150nm以上,输出功率可达到百mW量级。简要介绍了SLD在光纤陀螺仪、光学相干断层成像术、光纤通信、宽带外腔可调谐激光器等方面的应用,讨论了量子点SLD研制中存在的问题、解决方法和发展趋势。量子点SLD在展宽光谱和提高输出功率上展示了巨大的潜力,它的成功有力地推动了其他宽增益谱器件的研制。

关键词:超辐射发光管;自组织量子点;尺寸非均匀性;宽光谱;大功率

中图分类号:O472 3;TN304 054;TN383 1 文献标识码:A

文章编号:1671-4776(2009)08-0449-08

Research Progress ofQuantu m Dot Superlu m i nesce nt Diodes

L Xueqi n,W ang Zuoca,i Ji n Peng,W ang Zhanguo

(K e y Laboratory of Se m iconductor M ater i als Science,Institute of Se m iconduct or s,

Chinese A cade my of Sciences,B eij i ng100083,China)

Abst ract:The h istory o f superlum i n escent d i o des(SLDs)and t h e proposal and m erits of quantum do t (QD)SLDs are rev i e w ed briefl y.And then the operation princ i p le,dev ice str ucture and characterization para m eters of SLDs are described.The recent research advances i n QD SLDs are summ arized i n deta i.l Based on the inho m ogeneous size distribution of se lf asse m bled QDs,opti m ized struct u re design of acti v e region and h i g h optical qua lity o fQD m ateria,l no w the perfor m ance of QD SLDs is better than t h at o f quantum w e ll SLDs.For exa m ple,the output spectra lw i d th of QD SLD can reach up to150nm.The output po w er i n the order o f hundred m illi w atts can be realized.The applications o f SLDs,i n the aspects of fi b er optic gyroscope,optical coherence to m ography,optica l co mm unications and broadband externa l cav ity tunable laser,are i n troduced.The key prob le m s for i m prov ing the properti e s o fQD SLDs,f u ture trends and prospects are discussed.QD SLDs sho w i m m ense potential i n broaden i n g the spectr um and

i m pr ov i n g t h e output po w er.The success o fQD SLDs effectively pro m otes the fabricati o n o f related de

vices w it h w ide ga i n spectr um character i s tic.

收稿日期:2009-04-16

基金项目:国家重点基础研究发展计划(2006CB604904);国家自然科学基金(60876086,60776037)

通信作者:王占国,E ma i:l z gw ang@red.s e m.i

Key w ords:superl u m i n escent d i o de;se lf asse m b led quantum do;t size i n ho m ogeneity;broadband spec tru m;h i g h po w er

DO I:10.3969/.j issn.1671-4776.2009.08.001 EEACC:2530C;4260

0 引 言

1971年L N Kur batov等人[1]首次研制出Ga As pn结超辐射发光管(SLD或superl u m inescent li g ht e m itting d i o de,SLED),由此拉开了SLD的研究序幕。随着双异质结激光器的研制成功,1973年,美国贝尔实验室的T P Lee等人[2]首次制作了双异质结SLD器件,极大地激发了人们的研究兴趣,各国科学家相继投入到SLD的研究行列中来。进入20世纪80年代,伴随着分子束外延、金属有机化学气相沉积等晶体外延技术的迅速发展,量子阱激光器应运而生。进而,T L Pao li等人[3]于1985年成功研制出大功率A l G a As量子阱SLD器件, SLD由此进入了一个新的发展阶段。对于量子阱SLD,窄带隙有源区材料中载流子一维受限,类阶梯状的电子态密度使得SLD工作电流显著降低,输出功率明显提高;另外,量子阱SLD有源区体积比双异质结SLD的要小,并且在相同能量处具有较小的态密度,使在同样的注入电流密度下,费密能级更深地进入导带和价带中,增益谱较双异质结结构明显展宽[4]。通过调节器件的注入电流密度,同时引入量子阱中基态和激发态能级跃迁,在0 8 m的A l G a As单量子阱SLD中可以获得68nm 的光谱宽度[5],在1 5 m的InGa A sP单量子阱SLD中可以获得170nm的光谱宽度[6]。另外,采用非均匀多量子阱结构,即引入不同宽度的量子阱层作为SLD有源区,同时利用这些量子阱的基态能级跃迁,器件输出光谱可以得到进一步展宽。

C F Lin等人[7]在0 8 m非均匀多量子阱SLD中得到了91 5n m的光谱宽度,而850nm波段双异质结SLD器件光谱宽度仅仅十几纳米[2,8-10],且光谱调制度较大。目前,已经商品化的SLD绝大部分是量子阱SLD。

量子阱SLD仍存在光谱宽度窄、输出功率小等难以克服的问题。对于单量子阱或均匀多量子阱SLD,由于其很窄的光增益谱,在较低的注入电流密度下只能得到很窄的光谱宽度;而若要得到宽光谱输出,必须在很高的电流密度下(一般需要十几到三十几kA/c m2)使基态和激发态同时发光。这样高的工作电流密度并不实用,并且器件的输出光谱形状对注入电流的大小非常敏感,注入电流稍微偏离优化值就会使谱形变化、谱带变窄。对于非均匀多量子阱SLD,由于不同宽度量子阱基态跃迁能量是不连续的,这种多能级的发光迭加多造成谱带的形状不规则。

电子在三个维度都受到限制的量子点材料,具有像原子一样的态密度,理论上预期采用量子点制作的电子学、光子学器件具有比量子阱更优异的性能。例如量子点半导体激光器,具有极低的阈值电流密度、极高的特征温度和微分增益、较大的调制带宽和无波长啁啾等优点。然而,以Stransk i K ras tano w(S K)模式自组织生长的量子点材料存在本征的尺寸非均匀性,一般不小于10%。这种非均匀分布是在S K生长过程中不可避免的[11]。通常而言,自组织量子点的这种尺寸分布不均匀性对量子点激光器的制作是不利的,但是对于SLD的制作和展宽器件输出光谱而言,尺寸非均匀分布却成了一个有利的因素。

1999年,本实验室孙中哲等人[12]在国际上首次提出了量子点SLD的概念,并对其进行了数值模拟,从理论上证实了具有一定尺寸分布的量子点集合具有较宽的增益谱,并且在以其为有源区的SLD中可获得宽于量子阱的光谱输出。由孙中哲等人计算得出的量子点集合态密度曲线,证明具有一定尺寸分布的量子点集合的态密度分布不是 函数形式,而是呈现出由尺寸非均匀分布程度决定的展宽的多峰结构。尺寸非均匀性分布越大,峰的展宽程度越强、峰值下降越大、邻近峰之间的交叠越多,在较大的尺寸非均匀分布下,量子限制效应产生的陡峭的态密度分布形状完全消失,量子点集合的态密度分布变为较平坦的斜坡形。因此,量子点集合的增益谱也将呈现出与态密度形状类似的受尺寸非均匀性影响的展宽。由此可见,自组织生长量子点的本征尺寸非均匀性在展宽量子点集合增益谱

吕雪芹等:量子点超辐射发光管研究进展