用于1.3微米InP激光器的Digital InGaAs/InAlAs短周期超晶格

《Journal of Luminescence》：Digital InGaAs/InAlAs short-period superlattices intended for 1.3-μm InP-lasers

超晶格激光器研究：比较 ternary 和 quaternary 合金在1.3微米VCSEL中的性能，发现 ternary 超晶格在光学发射、载流子动力学及结构完整性上与 quaternary相当，且通过数字合金技术简化了制造流程。

　　

V.I. Voitovich | I.S. Makhov | V.V. Andryushkin | P.E. Kopytov | I.I. Novikov | D.S. Papylev | M.S. Sobolev | E.V. Pirogov | A.M. Nadtochiy | N.V. Kryzhanovskaya | A.E. Zhukov

俄罗斯圣彼得堡高等经济学院（HSE University）

摘要

我们报告了一项关于基于数字三元InGaAs/InAlAs合金的短周期超晶格（SPSLs）与其采用四元InGaAlAs势垒的对应物的光学和结构特性的比较研究。这两种超晶格均生长在InP衬底上，并在1.3 μm波长范围内发光。通过分子束外延技术制备了这些异质结构，并利用宽温度范围（5–300 K）的光致发光光谱、时间分辨光致发光光谱和高分辨率X射线衍射技术对其进行了分析。结果表明，无论是基于三元还是四元材料的SPSLs，在室温下均表现出强烈的发光特性，其峰值波长、积分光致发光强度、辐射复合效率以及载流子动力学均相当。同时，基于三元合金的SPSLs避免了四元合金所固有的成分复杂性。这些发现证实了三元SPSL活性区域作为易于制造且性能稳定的1.3 μm垂直腔面发射激光器的潜在优势。

引言

近年来，激光技术取得了显著进展，其中最引人注目的成就之一是垂直腔面发射激光器（VCSEL）的发展。这种激光器以其紧凑的尺寸、高效率、小的对称光束发散角以及在高频直流调制下的稳定工作能力而受到广泛关注[[1], [2], [3], [4]]。VCSEL的优势在于能够集成到阵列中、实现精确的光发射以及低功耗，为汽车、信息技术和医疗诊断等领域带来了创新应用的可能性。随着激光雷达系统、面部识别系统以及高速光纤通信技术的发展，对VCSEL的需求逐年增加。

大多数VCSEL的工作波长范围在约0.85-1 μm之间。然而，工作在1300 nm波长的VCSEL在高速光通信系统中也具有重要意义，尤其是在数据中心互连和网络中。然而，由于基于InP的异质结构所固有的材料和设计限制，实现高效、温度稳定且寿命长的VCSEL仍然是一个挑战[5]。一种有前景的解决方案是使用晶圆熔合技术，将高对比度的AlGaAs/GaAs布拉格反射器与在InP上合成的激光核心结合[6]。传统上，1300 nm二极管激光器的活性区和势垒区是通过使用InGaAsP或AlGaInAs等四元化合物半导体来形成的[7,8]。虽然这些材料可以实现带隙和折射率的调控，但其四元组成在分子束外延（MBE）等外延生长过程中引入了复杂性，导致成分控制和可重复性方面的困难。这些问题以及可能的合金无序和较高的缺陷密度可能会影响内部量子效率，增加阈值电流，并限制器件在热应力和高驱动电流下的可靠性[9,10]。

最近，我们证明了InGaAs/InGaAlAs超晶格可以用作1300 nm激光器的发光区域[11,12]。与基于多量子阱的传统活性区域相比，使用短周期超晶格（SPSL）作为激光活性区域具有优势，因为随着超晶格周期的减小，态密度会增加[13]。此外，超晶格结构的周期性层状结构使得光模式能够更有效地与增益介质重叠，从而提高光限制因子[11,14]。这有助于降低激光阈值电流并改善动态性能。因此，基于超晶格的活性区域特别适用于需要高调制速度和能效运行的应用。

本研究提出了一种替代传统四元层的方法，使用由交替的三元化合物（如InGaAs/InAlAs）组成的数字工程超晶格。这些超晶格可以通过量子阱限制和带结构平均效应实现所需的有效带隙，同时降低单个层的化学复杂性。此外，这种方法能够更好地控制应变分布、载流子限制和杂质扩散——这些都是1300 nm高性能VCSEL的关键因素。先前已有研究探讨了使用数字合金替代InGaAlAs四元外延层来形成量子级联激光器活性区域[15,16]。尽管也有研究提出使用数字合金替代量子阱材料，但迄今为止对InGaAs/InAlAs SPSL的光学特性研究还不够充分。在本文中，我们对用于1300 nm VCSEL的基于三元和四元材料的SPSL活性区域的光学、动态和结构特性进行了比较实验研究。我们的结果表明，完全由三元合金形成的超晶格活性区域在光学和结构质量上与使用四元合金形成的活性区域相当，从而简化了VCSEL的外延合成过程，同时保持了能量谱工程的可调性。

样品与实验技术

样品与实验技术

为了进行短周期超晶格的比较研究，我们使用了与实际VCSEL中相似的超晶格活性区域[17,18]。所有样品均采用分子束外延技术在InP（100）衬底上生长，衬底上覆盖有200 nm厚的In_0.52Al_0.48As缓冲层，该缓冲层的晶格与InP相匹配。样品的活性区域由窄带隙的InGaAs/In(Ga,Al)As SPSL组成，该超晶格嵌入在宽带隙的In(Ga,Al)As基质中。此外，还添加了30 nm厚的In_0.52

结果与讨论

图2展示了样品#1和#3的XRD研究结果，分别表明了活性区域中是否存在四元合金。样品#1和#3的活性SPSL具有压缩应变的In_хGa_1-хAs外延层，其In摩尔分数分别为0.6和0.74。两个样品的实验曲线都显示出与活性SPSL的周期性层相关的卫星峰，这些峰被标记为“SLa”。一级SPSL峰的半高宽（FWHM）较小

结论

我们对短周期InGaAs/InAlAs超晶格的结构和光学特性进行了实验研究，并将其与用于1.3 μm VCSEL和其他激光应用的四元InGaAs/InGaAlAs系统进行了比较。结果表明，这两种类型的超晶格在光致发光光谱、温度依赖行为和载流子复合动力学方面表现出相似性。重要的是，基于三元材料的数字超晶格保持了高晶体质量和光学性能。

资助

本研究得到了俄罗斯高等经济学院（HSE University）的基础研究计划的支持。来自ITMO大学的作者感谢俄罗斯联邦科学与高等教育部的项目FSER-2025-0005在异质结构的设计开发、外延生长和X射线衍射研究方面的支持。

作者贡献声明

V.I. Voitovich： 数据整理、研究、初稿撰写。 I.S. Makhov： 构思、数据整理、研究、方法论、初稿撰写及审稿编辑。 V.V. Andryushkin： 形式分析、研究、资源准备、审稿编辑。 P.E. Kopytov： 方法论、软件开发。 I.I. Novikov： 数据整理、方法论、资源准备。 D.S. Papylev： 软件开发、可视化处理。 M.S. Sobolev： 方法论、资源准备。 E.V. Pirogov： 资源协调。 A.M. Nadtochiy：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究是在“复杂光电子平台”这一大型研究设施上完成的。