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InAlGaAs/GaAs量子阱中引入超薄AlGaAs插入层可显著提升短波长近红外（770-780 nm）激光性能，优化层厚度（3 nm）和Al组分（0.2）使界面质量、载流子 confinement及热稳定性同步改善。
Miao Yan|Tong Zhou|Haizhu Wang|Zungui Ke|Yue Li
中国长春市长春科技大学高功率半导体激光国家重点实验室，邮编130022
摘要
在GaAs衬底上开发高性能短波长近红外（770-780 nm）激光器对于3D传感、数据通信和工业检测应用至关重要。然而，传统的AlGaAs/GaAs量子阱（QWs）由于导带偏移较小而存在载流子限制不足的问题，而InAlGaAs/GaAs QWs则面临界面质量和应变管理的挑战。在本研究中，我们通过实验验证了在阱/势垒界面引入超薄AlGaAs插入层（ISL）能够显著提升InAlGaAs/AlGaAs QWs的光学性能。我们采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术制备了一系列具有不同ISL厚度（2-4 nm）和Al组分（x = 0.2, 0.25, 0.35）的量子阱结构。通过高分辨率X射线衍射（HRXRD）、温度和功率依赖的光致发光（PL）以及原子力显微镜（AFM）等综合表征方法发现，优化后的ISL配置（3 nm Al0.2Ga0.8As）显著改善了界面质量，抑制了非辐射复合，并增强了载流子限制。含有这种优化ISL的样品在室温下的PL强度提高了2.21倍，光谱线宽变窄，热稳定性也得到了提升，且没有引入额外的局域态。这些结果为实现高效GaAs基近红外发射器提供了有效的界面工程策略。
引言
770-780 nm范围内的短波长近红外（NIR）发射越来越被认为是连接消费电子设备和先进光电子技术的关键光谱带[[1], [2], [3]]。这一波长范围的优势在于其在高频3D传感、短距离高速数据通信和高精度工业检测方面的独特应用[[4], [5], [6], [7]]。作为该光谱区域的主要光源，垂直腔面发射激光器（VCSEL）在决定现代3D传感系统的准确性和光互连的带宽方面起着关键作用[8]。因此，利用MOCVD技术开发高性能VCSEL外延结构对于将实验室研究成果转化为商业应用至关重要[9]。然而，随着对器件性能要求的不断提高，传统AlGaAs材料系统的固有局限性日益明显。其相对较小的导带偏移导致量子阱中的电子限制较弱，在高温或高注入条件下会出现显著的载流子泄漏。这种泄漏直接导致阈值电流升高、调制带宽受限以及特征温度降低，从而阻碍了下一代应用的需求[10,11]。InAlGaAs/GaAs量子阱系统作为一种有前景的替代方案，具有较大的导带偏移，增强了载流子限制并提高了差分增益[12]。尽管如此，在短波长范围内实现高质量的InAlGaAs量子阱仍然面临挑战[13]。为了达到目标发射波长，活性区域需要高铝含量和低铟含量，但这引入了两个主要问题：(1) 界面质量下降：InAlGaAs和GaAs势垒层之间的化学键合特性和原子迁移率差异使得在低铟条件下难以形成原子级清晰、无缺陷的异质界面。界面粗糙度可能成为非辐射复合的中心，严重降低发光效率。(2) 应变管理困难：低铟含量引入的压缩应变有限，但适度的压缩应变对于价带工程和降低透明载流子密度至关重要。因此，在保持高晶体质量的同时平衡有益的应变引入是一个重要的外延设计挑战[14,15]。
为了利用InAlGaAs较大的导带偏移并克服在GaAs衬底上生长异质界面的挑战，界面工程成为关键途径。引入超薄AlGaAs中间层被提出作为一种调整InAlGaAs量子阱界面特性的关键策略。先前使用晶格匹配中间层（如GaAsP）的研究已经证明了其在同时改善界面质量和调节量子阱结构方面的有效性[16]。这种方法的潜在优势包括：(1) 改善界面质量：由于AlGaAs与GaAs势垒层具有精确的晶格匹配和相似的表面原子迁移率，它可以作为缓冲中间层，促进更平滑的外延生长并减少缺陷形成，从而抑制异质界面处的非辐射复合。(2) 可调带结构：AlGaAs插入层能够局部调节量子阱势垒电势，从而增强载流子限制并提供更大的灵活性来管理活性区域内的应变分布[13]。然而，对于在770-780 nm光谱范围内工作的InAlGaAs/GaAs量子阱，这种策略的实际效果及其对界面缺陷密度和整体光电性能的定量影响仍需进一步探索和系统实验验证。特别是插入层厚度和铝组分对器件特性的协同影响需要进一步澄清。
本研究旨在通过引入超薄AlGaAs插入层来实验验证和优化InAlGaAs/GaAs量子阱的性能，目标是在770-780 nm光谱范围内实现高性能发射。通过精确的外延生长和系统的表征，我们试图建立界面工程与光电性能之间的稳健关联。设计并生长了一系列InAlGaAs/GaAs量子阱结构，每个结构都在阱/势垒界面处设置了AlGaAs插入层。通过系统地改变插入层的厚度和Al组分，构建了多种界面改性的配置以进行比较研究。使用一系列表征技术（包括高分辨率XRD、温度依赖的光致发光光谱和时间分辨荧光光谱）研究了AlGaAs中间层对结构和光学性能的影响，包括晶体质量、界面陡度、载流子复合动态和发射效率。这项工作不仅验证了AlGaAs插入层在提升短波长InAlGaAs量子阱性能方面的有效性，还为未来高性能、高可靠性的GaAs基近红外光电器件提供了实验见解和设计指南。
样品制备与表征
InAlGaAs/AlGaAs和InAlGaAs/AlGaAs/AlGaAs量子阱结构是使用Aixtron 200/4 MOCVD系统生长的。三甲基镓（TMGa）、三甲基铝（TMAl）和三甲基铟（TMIn）作为III族前驱体，三硫化砷（AsH3）作为V族前驱体。高纯度氢（H2）被用作III族源的载气。生长在50 mbar的腔压下，并在富含V族元素的气氛中进行。确保InAlGaAs阱的成分均匀性
光致发光强度和光谱稳定性的提升
PL光谱结果进一步证实了InAlGaAs阱层中In成分的均匀性。所有样品（包括参考样品和含有ISL的结构）的PL峰值波长都在768–775 nm的狭窄范围内（图2(a)）。鉴于InAlGaAs/GaAs量子阱中In成分与PL波长之间的明确相关性（?λ/?x ≈ 1400 nm每单位In成分[18]），这种小的波长变化对应于In成分的波动
结论
在本研究中，我们系统研究了AlGaAs插入层在提升InAlGaAs/AlGaAs量子阱在770-780 nm范围内发射性能中的作用。在量子阱和势垒之间引入超薄AlGaAs层被证明可以有效改善界面质量并调节带结构，从而增强载流子限制并减少热逸出。基于薛定谔方程的理论计算
CRediT作者贡献声明
Miao Yan：撰写 – 原始草稿、软件、方法论、研究、形式分析、数据整理、概念化。Tong Zhou：可视化、验证、监督。Haizhu Wang：撰写 – 审阅与编辑、资源管理、项目管理、研究、资金获取。Zungui Ke：资源管理、项目管理、方法论、研究。Yue Li：可视化、验证、监督、软件。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了吉林省科技发展项目（项目编号20230508053RC）和国家自然科学基金（项目编号62474025）的支持。
