高级搜索

InAs/GaAs自组织量子点的可控分子束外延生长及其新型光电器件研究

,  ,  ,  ,  ,  ,  , 

downloadPDF

上一篇

下一篇

陈英鑫, 黄晓莹, 杨灼辉, 钟汉城, 宋长坤, 刘林, 喻颖, 余思远. InAs/GaAs自组织量子点的可控分子束外延生长及其新型光电器件研究[J]. 真空科学与技术学报, 2023, 43(3): 210-218. doi: 10.13922/j.cnki.cjvst.202210007
引用本文: 陈英鑫, 黄晓莹, 杨灼辉, 钟汉城, 宋长坤, 刘林, 喻颖, 余思远. InAs/GaAs自组织量子点的可控分子束外延生长及其新型光电器件研究[J]. 真空科学与技术学报, 2023, 43(3): 210-218. doi: 10.13922/j.cnki.cjvst.202210007
shu
Yingxin CHEN, Xiaoying HUANG, Zhuohui YANG, Hancheng ZHONG, Changkun SONG, Lin LIU, Ying YU, Siyuan YU. High Quality InAs/GaAs Self-Assembled Quantum Dots Grown by Molecular Beam Epitaxy and their Application on Novel Optoelectronic Devices[J]. zkkxyjsxb, 2023, 43(3): 210-218. doi: 10.13922/j.cnki.cjvst.202210007
Citation: Yingxin CHEN, Xiaoying HUANG, Zhuohui YANG, Hancheng ZHONG, Changkun SONG, Lin LIU, Ying YU, Siyuan YU. High Quality InAs/GaAs Self-Assembled Quantum Dots Grown by Molecular Beam Epitaxy and their Application on Novel Optoelectronic Devices[J]. zkkxyjsxb, 2023, 43(3): 210-218. doi: 10.13922/j.cnki.cjvst.202210007
shu

InAs/GaAs自组织量子点的可控分子束外延生长及其新型光电器件研究

  • 中山大学电子与信息工程学院 光电材料与技术国家重点实验室 广州 510275

    • 通讯作者: E-mail: yuying26@mail.sysu.edu.cn; 

  • 中图分类号: TN36, TN248.4

High Quality InAs/GaAs Self-Assembled Quantum Dots Grown by Molecular Beam Epitaxy and their Application on Novel Optoelectronic Devices

  • State Key Laboratory of Optoelectronic Materials and Technologies, School of Electronics and Information Technology, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China

    • Corresponding author: Ying YU, yuying26@mail.sysu.edu.cn ; 

  • MSC: TN36, TN248.4

  • 摘要: 半导体量子点因其具有类原子的分立能级结构，可在三维方向上对载流子运动进行束缚，因此被认为是光发射器件（激光器、量子光源等）极具前景的有源物质之一。其器件的性能强烈依赖于量子点材料的品质、光场与量子点偶极子场的有效相互作用等。本文将从半导体InAs/GaAs自组织量子点的可控分子束外延生长调控技术出发，进一步探讨应用于光通信、片上光互联领域的量子点激光器，以及应用于光量子信息领域的高品质量子光源器件。
    Abstract: Epitaxial quantum dots (QDs) are a promising candidate for opto-electronic devices (lasers, quantum light sources, etc.) due to their atom-like discrete energy levels, which can trap electrons/holes in all three dimensions. The performance of the devices strongly depends on the quality of the QD material and the effective interaction between the light field and the QD dipole. In this paper, we will start from the growth of high performance InAs/GaAs QDs using molecular beam epitaxy, and then the QD lasers applied in optical communication and on-chip optical interconnection, as well as high-quality QD based quantum light sources for photonic quantum information, will be further discussed.
  • 加载中

  • 图 1  三英寸GaAs衬底上高密度InAs/GaAs量子点的密度分布。(a) 三英寸晶圆几何结构示意图，箭头直线表示晶向[110]和[1-10]，以及对角线1和对角线2; 0代表晶圆的几何中心，箭头方向分别代表正方向； (b) InAs量子点样品材料在[110] 晶方向的原子力显微镜测试结果，(1)-(14)表示从左到右间隔距离为5 mm；(c) 量子点密度与衬底温度的函数关系，红色表示误差范围；(d) 整片晶圆样品四个方向的密度分布，黑线代表[110]，红线代表[1-10]，绿线代表对角线1，蓝线代表对角线2。 (e) 三英寸晶圆的距离中心距离的温度分布，其中嵌入图形显示−2至2厘米的温度波动很小[13]

    Figure 1.  The density distribution of high density InAs/GaAs quantum dots (QDs) grown on 3-inch GaAs substrate. (a) 3-inch wafer geometric structure: crystallographic directions of [110] and [1-10], diagonal 1 and diagonal 2; 0 represents the geometric center of the wafer, the arrow direction represents the positive direction, respectively. (b) Representative atomic force microscope (AFM) results of InAs quantum dots in [110] crystallographic direction: (1)-(14) from left to right with 5 mm interval distance. (c) The density of QDs as a function of substrate temperature with red error bars. (d) Density distribution of the four directions of sample A of the whole wafer, black line represents [110], red line represents [1-10], green line represents diagonal 1, blue line represents diagonal 2, respectively. (e) wafer-scale temperature distribution of 3-inch wafer with inset graphics shows small fluctuation of temperature from −2 to 2 cm[13]

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 2  InAs/GaAs量子点的高度调控。(a) 设计用于制备单层高密度InAs量子点的量子点生长过程示意图； (b)不同indium flushing条件下InAs 量子点材料的光致发光光谱；(c) 不同indium flushing厚度条件下InAs 量子点材料的FWHM值

    Figure 2.  The height optimization of self-asssembled InAs quatnum dots (QDs). (a)Schematic process of the high density InAs/GaAsQDs growth; (b)Photoluminescence spectra of InAs QDs under different indium flushing conditions; (c)FWHM values of PL spectra under different indium flushing conditions

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 3  InAs/GaAs QD激光器的材料特性。 (a) 外延层结构的截面扫描电子显微镜(SEM)图像。 插入的是透射电子显微镜(TEM)结果。 (b) GaAs上QD层的光致发光光谱。 插图显示了原子力显微镜测试结果(AFM)。 (c)制备的长度为2000 μm激光器在25℃ ~ 115℃不同温度下的连续泵浦光功率-电流-电压(L-I-V)特性。插图为阈值电流与温度的依赖关系。 虚线表示对实验数据的线性拟合[14]

    Figure 3.  Material properties of InAs/GaAs QD lasers. (a) Cross-sectional scanning electron microscope (SEM) image of layer stack of the epi-wafer. The inset is the transmission electron microscope (TEM) image of the five QD layers. (b) Photoluminescence spectrum of the QD active layers on GaAs. The inset shows the atomic force microscope (AFM) image of an uncapped QD layer. (c) Light–current–voltage (L–I–V) characteristics of the fabricated laser with a length of 2000 μm and its temperature dependence under continuous-wave (CW) condition ranging from 25℃ to 115℃. The inset shows the natural logarithm of threshold current versus stage temperature. The dashed line represents linear fitting to the experimental data[14]

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 4  基于非晶硅侧壁光栅的量子点DFB 激光器。(a) 非晶硅侧壁耦合光栅结构示意图，(b) 非晶硅光栅SEM俯视图，(c) 脊宽为2.1 μm，腔长为1.5 mm激光器的LIV曲线，(d) 室温 100 mA 注入电流下LWDM激光器阵列光谱，(e) 室温不同注入电流下激光器相对强度噪声曲线，(f) 不同注入电流下 5 GHz 频率的相对强度噪声与反馈强度关系曲线，插图为注入电流为4 倍阈值时不同反馈强度下的光谱变化[14]

    Figure 4.  quantum dot DFB laser using amorphous silicon laterially coupled grating. (a) Schematic diagram of amorphous silicon laterially coupled grating structure, (b) SEM top view of amorphous silicon grating, (c) IPV curve of a laser with a ridge width of 2.1 μm and a cavity length of 1.5 mm, (d) Spectrum of LWDM laser array under 100 mA injection current at room temperature, (e) Relative intensity noise curves of lasers under different injection currents at room temperature; (f) relation curves between relative intensity noise at 5 GHz frequency and feedback intensity under different injection currents; insets show spectral changes under different feedback intensities when the injection current is 4 times the threshold[14]

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 5  超低阈值的连续光泵浦量子点min-BIC激光器。(a) mini-BICs激光器的示意图；(b) 平板光子晶体的能带图：处于光线（Light Line）以上辐射域中有限光子晶体A的能态，位于区域B的带隙中；(c) mini-BICs激光器的电镜照片；(d) M11模式的辐射强度和线宽随泵浦功率的变化规律表明，激光阈值为52 μW。图中的插图是在阈值以下光谱的Lorentz曲线拟合，表明M11模式线宽为~0.48 nm，因此腔Q因子约为2715；(e) 激光器在不同泵浦功率下的辐射光谱[17]

    Figure 5.  Ultra-low threshold, continue wave, optical pumped quantum dot min-BIC laser. (a) Schematic of a mini-BIC cavity (region A) encircled by a boundary of photonic bandgap (region B) to form a photonic heterostructure. (b) The calculated band diagrams of infinite photonic crystal (PhC) slabs: the continuous band (TE A, represented by the black dashed line) of an infinitely large PhC splits into a series of discrete modes above the light line and located in the bandgap of region B (TE B, represented by the blue solid line). (c) Scanning electron microscopy (SEM) images of the mini-BIC laser with a = 495 nm and Na = 13. (d) The collected emission intensity and the linewidth of the lasing M11 peak at 1303 nm as a function of pumping power, indicating a lasing threshold of 52 μW (227 W/cm2). The inset is a Lorentzian curve fitting of the spectra just below the threshold, which indicates a linewidth of ~0.48 nm and therefore a cavity Q factor of 2715. (e) Measured emission spectra under various pumping power [17]

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 6  包含AlAs薄盖层的无浸润层发光的InAs/GaAs单量子点。(a) 含有极薄的AlGaAs盖层的InAs/GaAs量子点的STEM图以及EDX扫描结果；(b) GaAs/WL (1nm)/AlxGa1-xAs/GaAs 量子阱结构的能带计算结果，包含了随Al组分变化的电子的第一激发态能量（E1，红线），空穴的第一激发态能量（HH1，蓝线），二者间的带隙（E1→HH1，灰线），以及在Al组分为0，0.4，1时电子空穴的波函数（右侧）；(c) 优化后量子点的FSS值，此结果通过拟合激子态的峰值能量的变化来获得；(d) 在双光子共振下，激子态、双激子态的发光谱线，Rabi振荡以及二阶相关联函数测试结果[19]

    Figure 6.  InAs/GaAs single quantum dot with ultra-thin AlAs capping layer. (a) STEM images taken along the [110] crystallographic direction of a single InAs/GaAs QD with a thin AlAs capping layer, the lower panel is the EDX elemental mapping of the blue box in the STEM image. (b) Calculated energy-band profiles for the GaAs/WL (1nm)/AlxGa1-xAs/GaAs quantum wells (QW). The left panel shows first excited state energies of electron (E1, red line) and heavy-hole (HH1, blue line), as well as the transition energy (E1→HH1, bandgap of WL, grey line) as a function of the aluminum concentration x in AlxGa1-xAs, and the right panel is the first excited energy diagram and corresponding electron/hole wavefunctions where x=0, 0.4 and 1. (c) The optimized FSS value of InAs QD, which obtained from the amplitude of a sine fitting of the relative emission energy as a function of polarization angles. (d) Photoluminescence spectra of the biexciton-exciton cascade and a suppressed two-photon resonant excitation laser, together with the damped Rabi oscillations and the second-order autocorrelation measurement[19]

    下载: 全尺寸图片 幻灯片
  • [1] Norman J C,Jung D,Wan Y,et al. Perspective: The future of quantum dot photonic integrated circuits[J]. APL Photonics,2018,3:030901 doi: 10.1063/1.5021345
    [2] Kageyama T,Nishi K,Yamaguchi M,et al. Extremely high temperature (220℃) continuous-wave operation of 1300-nm-range quantum-dot lasers[J]. 2011 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe and 12th European Quantum Electronics Conference (CLEO EUROPE/EQEC),2011:1−1
    [3] Liu H Y,Liew S L,Badcock T,et al. p-doped 1[J]. 3μm InAs/GaAs quantum-dot laser with a low threshold current density and high differential efficiency. Applied Physics Letters,2006,89:073113
    [4] Dong B,Chen J D,Lin F Y,et al. Dynamic and nonlinear properties of epitaxial quantum-dot lasers on silicon operating under long- and short-cavity feedback conditions for photonic integrated circuits[J]. Physical Review A,2021,103:033509 doi: 10.1103/PhysRevA.103.033509
    [5] Chen S M,Li W,Wu J,et al. Electrically pumped continuous-wave III–V quantum dot lasers on silicon[J]. Nature Photonics,2016,10:307−311 doi: 10.1038/nphoton.2016.21
    [6] Aharonovich I, Englund D, Toth M, Solid-state single-photon emitters. Nature Photonics. 2016, 10: 631.
    [7] Wang H,Duan Z C,Li Y H,et al. Near-Transform-Limited Single Photons from an Efficient Solid-State Quantum Emitter[J]. Physical Review Letters,2016,116(21):213601 doi: 10.1103/PhysRevLett.116.213601
    [8] Muller M,Bounouar S,Jons K D,et al. On-demand generation of indistinguishable polarization-entangled photon pairs[J]. Nature Photonics,2014,8:224 doi: 10.1038/nphoton.2013.377
    [9] Ma R M,Oulton R F. Applications of nanolasers[J]. Nature Nanotechnology,2019,14(1):12−22 doi: 10.1038/s41565-018-0320-y
    [10] Hill M T,Gather M C. Advances in small lasers[J]. Nature Photonics,2014,8(12):908−918 doi: 10.1038/nphoton.2014.239
    [11] Wang H, He Y M, Chung T H, et al. Towards optimal single-photon sources from polarized microcavities. Nature Photonics. 2019, 13: 770-775.
    [12] Najer D,Söllner I,Sekatski P,et al. A gated quantum dot strongly coupled to an optical microcavity[J]. Nature,2019,575:622−627 doi: 10.1038/s41586-019-1709-y
    [13] Huang X Y,Su R B,Yang J W,et al. Wafer-Scale Epitaxial Low Density InAs/GaAs Quantum Dot for Single Photon Emitter in Three-Inch Substrate[J]. Nanomaterials,2021,11(4):930 doi: 10.3390/nano11040930
    [14] Yang Z H,Ding Z Q,Liu J,et al. High-performance distributed feedback quantum dot lasers with laterally coupled dielectric gratings[J]. Photonics Research,2022,10(5):1271 doi: 10.1364/PRJ.454200
    [15] Wan Y,Norman J C,Tong Y,et al. 1[J]. 3 µ m Quantum Dot-Distributed Feedback Lasers Directly Grown on (001) Si. Laser & Photonics Reviews,2020,14:2000037
    [16] Li Q Z,Wang X,Zhang Z Y,et al. Development of Modulation p-Doped 1310 nm InAs/GaAs Quantum Dot Laser Materials and Ultrashort Cavity Fabry–Perot and Distributed-Feedback Laser Diodes[J]. ACS Photonics,2018,5:1084−1093 doi: 10.1021/acsphotonics.7b01355
    [17] Zhong H C, Yang J W, Ding Z Q, et al. Ultra-low threshold continuous-wave quantum dot mini-BIC lasers[J].Light: Science & Applications, 2023: DOI: 10.1038/s41377-023-01130-5
    [18] Chen Z H,Yin X F,Jin J C,et al. Observation of miniaturized bound states in the continuum with ultra-high quality factors[J]. Science Bulletin,2022,67(4):359−366 doi: 10.1016/j.scib.2021.10.020
    [19] Huang X Y,Yang J W,Song C K,et al. Self-assembled InAs/GaAs single quantum dots with suppressed InGaAs wetting layer states and low excitonic fine structure splitting for quantum memory[J]. Nanophotonics,2022,11(13):3093−3100 doi: 10.1515/nanoph-2022-0120
    [20] Löbl M C, Scholz S, Söllner I, et al. Excitons in InGaAs quantum dots without electron wetting layer states. Communications Physics, 2019, 2 (1).
  • 加载中
图( 6)
计量
  • 文章访问数:  146
  • HTML全文浏览数:  146
  • PDF下载数:  1
  • 施引文献:  0
出版历程
  • 收稿日期:  2022-10-10
  • 刊出日期:  2023-03-15

InAs/GaAs自组织量子点的可控分子束外延生长及其新型光电器件研究

    通讯作者: E-mail: yuying26@mail.sysu.edu.cn; 
  • 中山大学电子与信息工程学院 光电材料与技术国家重点实验室 广州 510275
  • 收稿日期:  2022-10-10

摘要: 半导体量子点因其具有类原子的分立能级结构，可在三维方向上对载流子运动进行束缚，因此被认为是光发射器件（激光器、量子光源等）极具前景的有源物质之一。其器件的性能强烈依赖于量子点材料的品质、光场与量子点偶极子场的有效相互作用等。本文将从半导体InAs/GaAs自组织量子点的可控分子束外延生长调控技术出发，进一步探讨应用于光通信、片上光互联领域的量子点激光器，以及应用于光量子信息领域的高品质量子光源器件。

English Abstract

    全文HTML

  • 光与物质的相互作用是一个意义深远的话题，其丰富的物理内涵不断被挖掘，新现象新机理不断被发现，从而创造产生新的应用，如半导体激光器、光通信、光传感、光学成像、光伏等，都带来了经济的增长。深入到量子光学领域，则是对光子与单个物质量子态之间的相互作用的进一步探索。在此历程中也展现了一系列如激光捕获冷却原子（1999年诺贝尔物理学奖）、单个量子态操纵与测量（2012年诺贝尔物理学奖）等有趣的理论和实验研究成果，人类逐步建立了对微观世界的认识。

    基于分子束外延生长的半导体量子点材料，其天然的岛状结构，会产生类似原子的分立能级，可将电子-空穴对在三个维度进行全面束缚。因此，一方面，高密度的量子点是半导体激光器的优秀增益材料[1]，经过多年的实验验证，量子点激光器相比于仅一维受限的量子阱激光器具有更好的温度稳定性[2]、更高的工作温度、更低的阈值电流密度[3]、更高的微分增益、更小的线宽增强因子、更小的频率啁啾效应[4]、以及对表面复合与位错不敏感[5]等众多优越性能。另一方面，由于单个量子点的分立能级结构可产生不同类型的激子态，同时又较易于片上集成与扩展，被认为是制备高品质量子光源（光发射）、构建可扩展性量子网络（光路由、光传输）最有潜力的固态量子体系之一[6]。它能够实现单光子的确定性发射，产生线宽接近辐射极限的全同光子，用以制备飞行光子比特[7]，也能够通过双激子级联发射过程产生严格的或者时间重定序的纠缠光子对[8]。

    进一步探索中，如何引入不同的谐振机制（微腔、波导、拓扑结构等）用于增强光场和物质的相互作用，是基础与应用科学中方兴未艾的研究方向之一。依赖于成熟的光电集成技术，半导体量子点-谐振腔耦合的功能器件和芯片也在蓬勃发展。在量子点激光器的研究中，集成谐振结构的激光器凭借其谐振腔对光场强烈的束缚作用（满足高品质因子或者高模式体积）可以进一步降低半导体激光器器件的阈值电流（降低功耗）与减小器件尺寸（利于扩展集成）[9-10]。另一方面，在量子点量子光源的研究中，通过引入微腔中的帕塞尔（Purcell）效应/微纳波导的导波模式以及量子点精确定位技术，可精确调控量子点激子态发光的模式分布，有效提高单光子/纠缠光子的提取效率[11-12]，是复杂的量子信息处理实验（玻色取样等光量子计算、量子模拟、量子精密测量等）实现的必要条件。

    因此，本文将从量子点的分子束外延生长技术出发，探讨生长过程中衬底温度、量子点高度的精确控制，并探讨其在量子点FP腔激光器、DFB腔激光器及光泵薄膜激光器、量子点单光子源器件上的优势与应用。

    • 1.   InAs/GaAs自组织量子点的可控分子束外延生长

    • 在分子束外延生长过程中，由于InAs/GaAs的晶格失配度约为7%，在GaAs衬底上的InAs会先以二维方式生长形成浸润层，当InAs淀积量超过应力释放的临界值之后，累积的弹性能得到释放，开始三维生长，并形成无位错的InAs量子点，此过程遵循着Stranski-Krastanow (S-K) 生长模式。通过对生长过程中衬底温度、生长速率、淀积量、束流比、生长停顿等参数的设计，深入理解In原子的迁移扩散、吸附解吸附过程，InAs量子点的成核过程，进而调控InAs量子点的发光波长、尺寸、密度。下面以衬底温度及量子点均匀性的精确控制为例介绍。

      • 1.1.   衬底温度的精确控制

    • 自组织量子点的形成可看作在富As原子环境下，In原子在GaAs衬底表面的吸附、迁移、扩散、解吸附及成核，这些热力学过程都深受衬底温度的影响，因此需要在实验中精确控制衬底的温度。由于分子束外延系统中所指的温度通常仅为某一点热电偶探测的温度，与实际衬底表面的温度及温度分布有差异。在实验中通过反射高能电子衍射（reflection high-energy electron diffraction，RHEED）来监测GaAs层的再构转变温度（Tc），并以此来标定每一片衬底对应的实际生长温度。

      进一步，为获取三寸GaAs（001）衬底上的温度分布，选取多个不同的温度条件（567℃到532℃，每片间隔5℃）来探索量子点密度分布与温度之间的依赖关系[13]，如图1所示。从图1(c)的生长温度与量子点统计密度可以看到，由于InAs的迁移速率随温度的增加而增大，量子点密度随生长温度的增加几乎呈线性降低趋势。因此可以根据调控生长温度来获取想要的量子点密度。进一步对衬底上量子点密度分布进行分析，即每隔0.5 cm距离取一个测试点位进行原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）测试。图1(b)为[110]晶向上对应位置的AFM测试结果，量子点密度在衬底中心较低，在一定范围内保持不变，靠近边缘密度较高，不同晶向的变化趋势几乎相同（图1 (d)）。因此可以从这个结果反推出衬底的温度分布，如图1(e)所示，当测试点位距离三寸衬底中心的约2 cm范围内，其温度分布均匀，在靠近衬底边缘温度较低。

      • 1.2.   量子点高度的控制

    • 以上结果展示了量子点在不同温度下的成核特点，以此推断出衬底的大致温度分布，确定了同一衬底片内的密度差异。为更准确控制InAs量子点的沉积量，减小片间差异，本文在生长过程中引入“烧点法”来确定量子点的临界成岛量（θc）。生长的过程示意图如图2(a)，实际的量子点层的沉积量以θc为参考。为了进一步提高量子点的均匀性，引入indium (In) flushing工艺来削平量子点，获得更加一致的高度。在表征时主要体现为光致发光荧光（photoluminescence，PL）光谱的强度、波长以及线宽的变化。我们在生长InAs量子点后生长2 nm的InGaAs盖层，同温度下生长不同厚度的GaAs盖层，并升温使未被盖住的In原子解吸附。样品的PL谱结果如图2(b)-(c)所示，当GaAs厚度小于5 nm时，随着厚度增加，量子点高度同时增加，光谱的中心波长逐渐发生红移，PL谱强度逐渐增强。在GaAs盖层厚度为4.5 nm时，半峰宽（full width at half maximum，FWHM）最小，为27.4 meV。表明此时量子点的高度均匀性最好。随着盖层继续增加，PL谱的中心波长保持不变，线宽的增大幅度也很小，此时，In-flushing过程对量子点不起作用。因此，引入合适的In-flushing过程可以提高量子点的均匀性。

    2.   基于InAs/GaAs量子点的半导体激光器

    • 以上优化了InAs/GaAs量子点分子束外延生长的关键步骤，获得了密度大于6 × 1010 /cm2，半峰宽为27.4 meV（三层量子点）的高密度高均匀性量子点材料，以下将讨论其作为作为增益介质应用于半导体激光器上的研究进展及优势。

      • 2.1.   FP激光器[14]

    • 法布里珀罗腔 (Fabry Perot，FP) 激光器通过自然解理的端面形成谐振腔而获得激光输出。其量子点激光器的外延结构如图3(a)所示。首先，在三英寸Si掺杂GaAs (001)衬底上生长500 nm的GaAs缓冲层和1.8 µm的N型掺杂Al0.4Ga0.6As限制层。然后外延生长五层由 35 nm厚的 GaAs层分离的量子点有源层。每个量子点有源层包含2.4 ML的InAs以及3.5 nm的In0.15Ga0.85As 作为盖层拓展波长至1310 nm，并对量子点下10 nm处的GaAs材料进行调制 P 型掺杂，使每个量子点平均可以获得 20个受主以获得较好的微分增益。在有源层上方生长1.8 µm的Be 掺杂Al0.4Ga0.6As限制层与 100 nm的GaAs作为P电极接触层。使用完全相同的生长工艺，在另一片GaAs衬底上外延生长出量子点有源层结构，如图3(b)可得其量子点密度为 5.5 × 1010/cm2，材料增益峰波长为 1308 nm，对应半高全宽为 30.9 meV。此外，从PL谱上还可以看出材料基态和第一激发态间的能量间隔超过80 meV，可以有效抑制载流子在高温下的热展宽。

      进一步，作者利用微加工工艺制备了20 µm脊宽的解理端面 FP 激光器。图3(c) 展示了 2 mm 腔长的器件连续电泵浦光功率-电流-电压（L-I-V）测试结果。室温（25℃）下，阈值电流为 80 mA，对应阈值电流密度为 200 A/cm2。变温测试显示，该样品能够实现超过 115℃ 的高温工作性能，拟合不同温度下的阈值电流可得：25℃−55℃ 和 65℃−115 ℃ 两个温度范围内的特征温度 T0分别为 98 K和53 K。由于器件工艺采用的是正面热沉方案，在实际工作中，结温大于温控台测试温度。如果使用倒装焊技术和脉冲泵浦，应该可以获得更优异的变温性能。

      • 2.2.   侧壁耦合光栅的DFB激光器[14]

    • 相比于FP半导体激光器，在光通信、激光雷达、光传感以及量子技术等应用领域中还需要更为高性能的窄线宽、低噪声并对光反馈具有强的耐受能力的半导体激光器作为重要的核心器件。而利用布拉格光栅对半导体激光器的工作波长进行选择的分布式反馈（distributed-feedback，DFB）或分布式布拉格反射镜（distributed Bragg reflector，DBR）结构是获得高性能单纵模半导体激光器的重要方法。DFB激光器的常规制作方法通常是将光栅结构通过掩埋的方法嵌入至有源层的上方或者下方[15]，但该方法技术难度较高，不仅需要高精度的光栅图形曝光和转移，还需要对器件进行表面预处理后再进行二次外延生长。另一种纵向选模的方案是侧壁耦合光栅 (laterally coupled grating, LC grating)。通过在脊波导侧壁构建反馈光栅结构对其模式进行调制（倏逝波耦合）而实现单纵模。传统的LC-DFB一般采用一次性刻蚀波导或侧壁金属光栅实现[16]。但由于浅刻蚀的可TE00模工作LC-DFB中，光栅与光场的相互作用发生在波导的衔接处，如何通过实现完美的刻蚀角度、无footing的波导形貌，而获得确定性的光栅耦合系数，一直是当前领域面临的重大挑战之一。

      为此，作者提出了一种新型侧壁耦合 DFB 激光器方案[14]（图4(a)），这种方案采用低损耗非晶硅介质作为光栅材料。通过优化梯形波导刻蚀工艺，获得了接近零footing的波导形貌。精细调试非晶硅光栅的高精度电子束曝光和深反应离子刻蚀工艺后，可实现高稳定性和重复性的反馈选模（光栅形貌如图4(b)所示）。本文在前述优化的高性能InAs/GaAs量子点增益外延材料的基础上，通过工艺加工在1310 nm波段实现了输出功率达 26.6 mW，在80 mA注入电流下，边模抑制比可高达 52.7dB的电泵浦室温连续工作量子点DFB激光器。新型光栅具有高稳定的耦合反馈系数，使得激光器能够在连续变电流条件下进行单纵模激射，具有非常高的单模成品率。

      此外，为证明该结构具有超高精度光栅制备的可行性，作者成功研制了符合细波分复用（LAN wavelength division multiplexing，LWDM）波长分布的八通道激光器阵列光谱（图4(d)）。在高电流注入下，器件测试表征得到了低于−165 dB/Hz 的超低相对强度噪声（图4(e)），以及大于−12.5 dB（5.9%）高抗光反馈能力（图4(f)）。通过利用半导体自组织量子点对载流子的三维限制作用，以及极小线宽增强因子的特性，与新型光栅的高性能单模激射相结合，使得该新型LC-DFB激光器展示出无隔离应用的潜力。这种新型LC-DFB 激光器具有极高的单模成品率，超低的 RIN 和高抗光反馈性能，并具有无需二次外延的特性，使制备成本同时也大幅降低。

      • 2.3.   基于连续域束缚态的光泵薄膜激光器[17]

    • 更小尺寸和更低阈值的高性能激光器是光子集成芯片（photonic integrated circuits, PICs）中的核心器件，对光通信，芯片级固态激光雷达和量子信息等领域的发展具有重要的意义。实现这种激光器的一般方法是通过将增益材料嵌入高品质因子（quality factor, Q）和小模式体积的少波长或亚波长尺度的光学微腔中，有效捕获光并增强光-物质相互作用。通过引入光子晶体缺陷或连续域束缚态（Bound States in Continuum, BICs），在平板光子晶体上已实现了超低阈值的激射。基于连续域束缚态的光子晶体激光器则表现出较强的鲁棒性，并因其理论上奇特的高Q特性被大量关注和研究。然而，为接近理想的BICs，平板光子晶体通常需要上百个周期的结构单元发挥作用，使得器件的尺寸无法进一步减小。此外，由于BICs只能够实现纵向一个维度的光限制，其阈值也难以进一步降低。

      为此，作者采用了小型化连续域束缚态（Miniaturized BICs, mini-BICs）的思路[18]，结合连续域束缚态的纵向限制作用和光子晶体禁带反射结构的横向限制作用，实现对光子的三维限制，如图5(a)所示。A是Na×Na的圆孔阵列，其周期为a，作为微腔区域；B的周期为b，通过设计A的连续域束缚能态（M11，M12/M21和M22等）恰好处于B的禁带中，可实现对A微腔模式的横向限制作用，如图5(b)所示。图5(c)展示了Na=13的器件刻蚀过后的电镜照片。同时，O波段的InAs/GaAs量子点作为增益材料，可实现对载流子的三维限制。其M11模式的辐射强度和线宽随泵浦能量的变化如图5(d)所示。此结果表明，作者实现了低阈值的连续光泵浦激射的薄膜激光器，其阈值功率为52 μW[17]。图5(e)展示了不同泵浦能量下的辐射光谱。此方案采用薄膜转移技术制备的mini-BICs激光器具有灵活性，可在不同的衬底上制备实现，如在硅或铌酸锂上。同时三维限制光子和载流子的能力也有望为小尺寸的薄膜激光器的研究提供新途径。

    3.   InAs/GaAs单量子点的能级调控及量子光源实现[19]

    • 如前所述，S-K模式生长的InAs/GaAs单量子点，具有分立的激子态，通过电泵浦或者光泵浦的方式可发射单光子或纠缠光子对，用于制备量子光源。其中，通过控制InAs/GaAs 量子点的尺寸，能够调控激子态的发射波长。然而，由于S-K 模式过程中二维 InGaAs浸润层的存在，浸润层和量子点的电荷载流子通常会存在库仑相互作用，从而导致量子态的杂化。

      为解决这个问题，一种可行的方法是在 InAs/GaAs量子点的顶部沉积单层的AlAs [20]。较高的 AlAs 势垒可以在一定程度上阻碍周围电荷环境对量子点的影响，从而获得较为纯净的激子态谱线。如图6(a)所示，作者通过在InAs/GaAs量子点的顶部沉积一层极薄的AlGaAs层，并讨论了浸润层态、激子精细结构劈裂与AlGaAs势垒之间的关系，最终获得无浸润层态、精细结构劈裂小的激子态发光[19]。具体的实验中，作者先通过八带k·p方法对包括浸润层和势垒的能带结构和相应的电子/空穴波函数进行了模拟计算。图6(b)的结果表明AlGaAs势垒能够减少电子和空穴波函数的在浸润层内的重叠程度。因此，超薄AlGaAs覆盖层可以有效地抑制浸润层态的发光，减小量子点的电子和空穴状态与浸润层态的耦合。其次，作者测量了中性激子和双激子态的能级精细结构分裂（FSS）值，发现覆盖AlGaAs的量子点的FSS几乎随着AlGaAs覆盖层中的Al组分线性增加。理论上，FSS与量子点形状、组分的各向异性有关，通过调控生长条件，有效地控制原子在不同晶向上迁移、解吸附，可获得在880 nm/ 980nm的FSS较小的激子-双激子态（图6(c)）。最后，作者还对单量子点进行了双光子共振激发，如图6(d)所示，在“π脉冲”双光子共振激发下，通过激子态、双激子态的发光谱线绘制了积分强度与激发功率平方根的函数曲线，可以看出明显的Rabi振荡，证明了相干性良好的物质-光相互作用，并得出 g (2)值为0.0385 ± 0.0013，该结果证明这些量子点发射的光子具有反聚束性。以上这些结果为实现高品质的量子光源夯实了很好的材料基础。

    4.   总结与展望

    • 本文讨论了InAs量子点在GaAs衬底上异质外延的SK自组装生长模式，在高密度量子点的制备上，实现了高密度高均匀性量子点，制备了阈值电流为16 mA，边模抑制比达52 dB，功率达26.6 mW的DFB激光器，及小尺寸的光泵浦薄膜激光器，将为光通信以及片上光互联方向的应用提供了新的思路。另一方面，在低密度量子点的制备上，实现了低密度量子点的可控外延生长，结合双光子共振激发，将为可扩展的高亮度单光子源及其在光量子计算领域的应用奠定基础。

    参考文献 (20)

目录

/

返回文章
返回