InGaAs(Sb)近、中紅外激光器材料與器件研究.pdf

1、1.5-2.0μm近、中紅外波段半導(dǎo)體激光器在通訊、測高、測距、遙感等方面有著廣泛的應(yīng)用。研究位于該波段的低維半導(dǎo)體量子激光光源，已經(jīng)成為半導(dǎo)體研究領(lǐng)域中的國際前沿和熱點(diǎn)之一。本論文主要圍繞1.5-2.0μm近、中紅外波段半導(dǎo)體激光器材料和器件開展了研究工作，通過系統(tǒng)深入地開展低維In(Ga)As量子點(diǎn)激光器材料、中紅外銻化物量子阱In(Al)GaAsSb激光器材料的MBE外延生長技術(shù)研究，探索了1.5-2.0μm近、中紅外波段In(G

2、a)As(Sb)低維量子尺寸（量子點(diǎn)、量子阱）激光器材料制備技術(shù)。通過優(yōu)化材料質(zhì)量，深入開展工藝研究，制備了位于該波段的半導(dǎo)體激光器件，為進(jìn)一步開展近、中紅外波段半導(dǎo)體激光器材料和器件研究提供了基礎(chǔ)材料和技術(shù)支持。
　　主要開展的研究內(nèi)容如下:
　　1)在1.5μm波段，深入開展了外延生長In(Ga)As/GaAs量子點(diǎn)激光器材料研究，分析了生長溫度、生長速度、Ⅴ/Ⅲ族束流比、摻雜濃度以及量子點(diǎn)密度、形狀等對(duì)生長質(zhì)量和發(fā)光效

3、率的影響;首次采用Sb敏化和InGaAs應(yīng)變減小層技術(shù)拓展波長的同時(shí)，優(yōu)化生長速率和退火溫度，在有源區(qū)優(yōu)化有效p型摻雜以及采用分別限制漸變折射率AlGaAs限制層的設(shè)計(jì)，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)的影響。
　　2)在1.5-2μm波段，主要開展了InGaAs(Sb)的優(yōu)化生長研究。優(yōu)化材料生長條件和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，開展高質(zhì)量、高發(fā)光效率的InGaAsSb/AlGaAsSb量子阱生長研究，提高有源區(qū)增益、降低激射閾值;

4、獲得了高均勻性、高晶體質(zhì)量的InGaAsSb/AlGaAsSb材料，獲取了提高量子阱結(jié)構(gòu)生長質(zhì)量的技術(shù)手段。
　　3)深入開展了GaAs基量子點(diǎn)，GaSb基量子阱材料的器件工藝研究。
　　(1)解決了GaSb基材料的刻蝕、鈍化和歐姆接觸等關(guān)鍵工藝技術(shù)問題;
　　(2)評(píng)價(jià)和表征了器件特性，分析了影響器件閾值、效率等因素。
　　4)開展了位于1.5-2μm波段低維In(Ga)As(Sb)量子點(diǎn)激光器材料、中紅外銻化

5、物量子阱In(Al)GaAsSb激光器技術(shù)研究。
　　(1)系統(tǒng)研究了影響量子點(diǎn)的生長因素。開展了采用多層量子點(diǎn)在量子阱中(DWELL)結(jié)構(gòu)的激光器研究。為了提高激光器有源區(qū)量子點(diǎn)的均勻性，增加有效激射量子點(diǎn)的數(shù)目，采用多層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，通過選擇適當(dāng)?shù)牧孔狱c(diǎn)間隔層厚度，利用存在于量子點(diǎn)層之間應(yīng)力的相互作用，使量子點(diǎn)在垂直方向上相互吸引，形成大尺寸量子有源區(qū)的“應(yīng)變?nèi)斯た刂啤?，不但增大了量子點(diǎn)的體密度，還有效地改善了量子點(diǎn)分布的均勻性

6、。制備了波長位于1.5μm多層量子激光器，器件測試結(jié)果表明，隨著溫度從20℃升高到60℃，在60℃時(shí)激光器仍可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)激射，輸出功率20mW左右，波長為1.5μm。
　　(2)采用分子束外延(MolecularBeamEpitaxy，MBE)生長技術(shù)，制備了波長位于1.6-2.3μm的InGaAsSb/AlGaAsSb多量子阱結(jié)構(gòu)材料。在此基礎(chǔ)上制備的2.2μm波長激光器，測得激光器件的閾值電流密度為187A/cm2，斜率效率為

7、0.2W/A，室溫下連續(xù)輸出功率達(dá)到320mW。波長隨注入溫度的變化率約為0.28nm/℃。當(dāng)溫度從20℃升高到60℃時(shí)，斜率效率由20.1％減小到10.8％。
　　以上器件結(jié)果表明，采用MBE外延生長低維In(Ga)As量子點(diǎn)激光器材料、中紅外In(Al)GaAsSb銻化物量子阱激光器材料，為1.5-2μm波段近、中紅外半導(dǎo)體材料和激光器研究提供了新的有效方法和研究思路，對(duì)進(jìn)一步開展近、中紅外波段半導(dǎo)體激光器研究及應(yīng)用具有十分重