中红外量子级联宽光谱超辐射光源及阵列的研制

发布时间：2020-06-05 18:16

【摘要】：量子级联超辐射发光二极管,不同于传统的PIN结半导体发光器件,是基于导带中电子的子带间跃迁的单极性半导体边发射的中红外光源。它兼具了激光器的高功率和发光二极管的宽光谱特性,同时具有弱时间相干性和高光纤耦合效率的特点,是中红外光学相干层析成像系统的理想光源。但由于量子级联材料中非辐射复合载流子寿命极短导致自发辐射效率非常低,要实现高性能的超辐射输出十分困难,所以对于量子级联超辐射发光二极管的研究则从2006年起才有了少量报道。本文提出一种新型的紧凑式分段的波导结构,并基于这种结构首次报道了室温连续工作的中红外量子级联宽光谱光源阵列器件,将输出功率提高到mW量级。本论文具体工作涉及理论研究、结构设计、仿真模拟、材料生长、器件工艺、性能测试等方面,主要包括以下内容:(1)中红外量子级联宽光谱超辐射光源的基础介绍。首先,分析基于量子级联材料制备中红外光源的必要性;其次,概述超辐射发光二极管的定义、工作原理、特点和应用;最后,介绍中红外量子级联超辐射发光二极管的研究现状和发展趋势。(2)材料生长及表征、器件工艺与测试技术。本文采用分子束外延技术在InP衬底上生长以量子级联为有源区的器件结构,然后通过半导体器件制备工艺完成器件制备,并对器件性能进行测试表征。基于以上流程,依次介绍材料外延方法、材料表征技术、器件工艺流程和器件测试手段。(3)中红外量子级联超辐射发光二极管的制备。通过理论分析并结合仿真计算,设计了新型的紧凑式分段的波导结构。制备了一系列紧凑型中红外量子级联超辐射发光二极管,经过系统测试分析确认了合适的结构参数。结果表明,我们所设计的波导结构几何尺寸小、脊宽大小均匀,非常适用于阵列器件的制备。(4)中红外量子级联超辐射发光二极管阵列的制备。进一步优化单管器件结构,并通过模拟阵列结构中的热场分布,确定了阵列器件中单管的间隔距离。最终成功制备了国际上第一个室温连续宽光谱中红外量子级联超辐射发光二极管阵列,室温连续电流注入下的输出功率达到2.4 mW,对应的光谱宽度约200 cm-1,输出光束质量优异。这些结果十分契合中红外光学相干层析成像系统对光源的要求,因而推动了量子级联超辐射发光二极管器件的实际应用。
【图文】：

其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，具有波粒二象性。它波动逡逑性的特征指标表现为不同的波长；Ｉ，而粒子性的特征指标表现为不同的光子能量逡逑五。如果使用波长Ａ来研究电磁波，可以划分出很多波段，如图１．１所示，包含Ｙ逡逑射线（１０－１４＜Ａ邋＜邋１0－１０ｍ）、Ｘ邋射线（１０＿１０邋＜Ａ邋＜邋１0－９ｍ）、紫外线（１0－９＜义＜邋３．８Ｘ邋１0－７逡逑ｍ）、可见光（３．８Ｘ１０－７邋＜２邋＜７．８ｘｉ0－７邋ｍ）、红外线（７．８Ｘ１０－７邋＜２邋＜３ｘｉ0－５邋ｍ）、逡逑太赫兹波（３ｘｌ0－５＜Ａ＜３ｘｉ0－３ｍ）、微波（３ｘｉ0－３＜Ａ＜ｌｍ）和无线电波（Ａ＞１逡逑ｍ）。根据爱因斯坦光量子假说，光子能量五与波长＞１的关系如式１－１所示：逡逑Ｅ邋＝邋—逦（１－１）逡逑Ａ逡逑其中Ａ为普朗克常量，ｃ：为真空中的光速。逡逑高邋＜逦光子能量五逦低逡逑化学键断裂＋电子跃迁＋振动跃迁｜逦转动跃迁逦｜原子核自转逡逑Ｙ射线ｘ射线ｉ紫外线｜｜￣￣红外线逦＂＂＂＂＂？￣无线电波逡逑／邋ｉ邋＼逦１逡逑近红外中红外远红外逡逑短逦逦逦逦邋波似逦＊长逡逑图１．１根据波长划分的电磁波波段逡逑可以得知，人通过肉眼能够直接感知的可见光也是电磁波的一种，而且只是逡逑电磁波中的一个很小波段。可见光能够帮助人类直观地认识世界，而其他波段的逡逑电磁波能够辅助人类探索更多的未知世界。其中红外线己经成为一种用途广泛的逡逑成熟工具

Ｅ邋＝邋＾逦（１－２）逡逑Ａ逡逑大气中多种微量气体对波长为１？７邋的红外线吸收强度如图１．２所示，可逡逑以看出３邋￣５＠波段受水蒸气的吸收很弱，，是一个优秀的中红外大气窗口。该波逡逑段拥有对比度高和穿透性强等优点，也是很多生物组织和微量气体的强吸收波逡逑段。中红外光源的用途非常广泛［Ｍ］，在成像领域可以作为医学诊断与工业检测逡逑的工具，在探测领域可以捕捉痕量气体和高温热源的信息，在军事领域可以用作逡逑激光制导以及激光雷达的光源。逡逑４＾－％逦１邋＇逦ｆ．．－……Ｉ＂工……＂Ｉ＂＂Ｖ逦逦逦ｆ逦逦逦邋＂邋Ｊ逦＇■逡逑．§邋１Ｅ１８邋—ＣＯ逡逑ｒ逦—．ｎ0２逦ｉ逡逑Ｍ逦逦ＮＯ逦Ｋｋ逡逑ｇ逦，一＾Ｃ0２邋煖逦Ｖ、逡逑１邋：邋ｉ／ｒ逡逑ｉｉｌｉｌｉｉｌＨ邋ＭＭ逡逑１２逦３逦４逦５逦６逦７逡逑ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ邋（ｐｍ）逡逑图１．２多种微量气体对１？７叫波段的红外线吸收强度逡逑认识到该波段的巨大应用前景后，很多研宄小组开始致力于中红外发光器件逡逑的研宄。１９９５年，Ｔａｃｋｅ等人首次提出基于铅盐材料的半导体激光器ｔ５］，这类直逡逑接带隙半导体材料的禁带宽度（即光子能量五）恰好适合这一波段的发光
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O441.4;TN312.8

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