InP基啁啾量子阱超辐射发光二极管的制备及其特性研究
发布时间：2020-10-09 22:20
高精度传感系统是如今亟需的、应用面很广的重要技术。作为高精度光纤传感系统的核心光电部件,超辐射发光二极管(SLD)的性能直接决定着传感系统的精度及稳定性。超辐射发光二极管具有宽光谱、大功率、弱时间相干性的特性,这些特性使其能够在光纤陀螺仪和光学相干层析成像方面有着良好的应用前景。由于量子阱结构的生长条件更易掌控,工作更稳定,发光功率足够大,并且通过在有源区引入啁啾结构,使每层量子阱具有不同的发光波长,可以有效拓宽器件的发光谱宽,所以啁啾量子阱结构的超辐射管器件能够满足其宽光谱、大功率以及可靠性强的要求。制备出啁啾量子阱结构的超辐射发光二极管对于国产高精度传感技术的发展有突出的应用价值。本论文的目标是实现InP基1.3μm波段SLD的大功率、宽光谱发光,拟通过张压应变交替的InGaAsP啁啾多量子阱结构的设计和生长,使得SLD在较高输出功率下展宽光谱。同时,系统开展波导结构设计和制备,抑制器件激射;并通过SLD后工艺的优化和控制,显著提高实验室制备SLD器件的良率。论文的研究工作及取得成果如下:1、设计了具有张压应变交替的InGaAsP啁啾多量子阱有源区的SLD结构,并通过外协单位完成了 MOCVD生长,经PL谱测试发现:SLD有源区的发光波长位于1.3μm波段,PL谱宽约为150nm,符合预期,满足SLD器件宽光谱的需求;2、针对器件光谱、输出功率协同控制的要求,完善并优化了流片工艺(主要包括光刻腐蚀、沉积Si02绝缘层、磁控溅射金属电极、减薄抛光等)。着重改进了脊波导的湿法腐蚀工艺,采用H3PO4:H202:H20和HCl:HBr溶液交替腐蚀,并严格控制腐蚀液配比、腐蚀时间以及腐蚀温度,将原有脊波导湿法刻蚀工艺中比较严重的侧蚀问题控制在SLD器件工艺可容忍的范围内。3、成功制备出1.3μm波段的InP基InGaAsP啁啾量子阱SLD器件。SLD管芯在未焊接热沉且腔面未镀消反膜的情况下,实现了室温(22℃)下脉冲超辐射发光,脉冲电流周期0.2ms、占空比10%,发光中心波长1340nm。其中:腔长3mm、脊宽10μm的单边弯曲波导结构管芯(弯曲角度10°、弯曲长度1mm),在530mA的电流注入下,输出功率达到4.91mW,谱宽94.8nm;电流增加到620mA时,输出功率达到10.53mW,谱宽27.1nm。4、针对以上测量结果,我们通过改进弯曲波导形状和管芯腔长,对SLD器件的性能进行了优化,结果如下:①将波导形状调整为双边弯曲波导结构(腔长3mm、弯曲长度双边各1mm),在740mA的电流注入下,测得器件输出功率达到2.96mW,谱宽83.4nm;电流增加到980mA时,输出功率达到8.59mW,谱宽56.2nm。随着注入电流增加,SLD谱宽的变窄得到一定程度的缓解,显示出双边弯曲波导结构抑制激射的能力更强。②将腔长减至2mm(单边弯曲波导、弯曲长度1mm),在530mA的电流注入下,测得输出功率为8.92mW,谱宽82.5nm;电流增加到620mA,输出功率达到19.99mW,谱宽22.5nm。与3mm腔长的单弯波导管芯相比,短腔SLD在相同的注入电流下可获得更高的输出功率。
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN312.8
【部分图文】：
的反射为０，完全没有光的反馈谐振，出射光为非相干光。所以，ＳＬＤ器件是高逡逑功率、宽光谱、弱相干性的半导体光源器件，相比于ＬＤ，光谱宽度更宽，相比逡逑于ＬＥＤ输出光功率更高。三种光发射器件的输出功率和光谱示意图如图１－１所逡逑／＼邋Ｎ邋0逡逑ｅｒ邋…逦ｌｄ逡逑ＬＤ逦５－逡逑？逦－邋ｆ逡逑ｒ－邋＾邋ｈ逦ＣＤ逡逑旦逦ＳＬＤ逦＾逡逑｜ｉ逦＾逦１４逦／－ｉ＼ＳＬＤ逡逑ｃ邋ｉ邋．一逦．逦；逦．逦，逡逑０逦５０逦１ＣＯ逦１５０逦２０Ｄ逦ＫＯ逦ｄ４Ｃ逦８８２逦９ＺＪ逡逑Ｃｕｒｒｅｎｔ邋（ｍＡ）逦Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ邋（ｎｍ）逡逑图１－１邋ＳＬＤ、ＬＤ、ＬＥＤ输出功率（ａ）与光谱（ｂ）的比较［１］逡逑１．２．２超辐射管的发光机理逡逑光子与半导体内部载流子的相互作用有以下三类表现方式：自发辐射、受激逡逑辐射以及受激吸收。首先，自发辐射就是在没有任何外界作用下，激发态原子自逡逑发地从激发态向基态跃徖，同时辐射出一个光子的过程，各个原子在跃迁过程中逡逑彼此无关，产生的自发辐射光子在频率、相位、偏振以及传播方向上具有任意性；逡逑受激辐射是激发态的电子在外界光子的作用下，向基态或者低能态跃迁的同时辐逡逑射出光子的现象。此时，外来辐射光子的能量必须恰好是电子两个能级能量的差逡逑值，辐射出的光子具有与外界光子相同的频率、相位以及偏振等特性；受激吸收逡逑是当能量等于载流子高低能级的能量差的光子与处于低能级的载流子作用时
分是放大的自发辐射，光子在腔内的光增益过程中，对于不同频率的光子，受到逡逑的增益幅度并不相同，波长位于增益谱中心的光子能够得到的增益最强，而波长逡逑远离增益谱中心的光子能够得到增益较弱。图１－２展示的是ＬＤ、ＳＬＤ、ＬＥＤ三逡逑种发光器件光谱特征曲线。逡逑对于半导体发光器件，光谱中心波长是描述其光谱特性的主要参数之一。峰逡逑
电流（ｍＡ）逡逑图１邋－３邋ＬＤ、ＳＬＤ、ＬＥＤ的Ｐ－丨特性曲线逡逑图１－３是ＬＤ、ＳＬＤ、ＬＥＤ的Ｐ－Ｉ特性曲线。从图中可以看出，对于半导体逡逑激光器，其功率曲线的特点是存在明显的阈值拐点，当电流达到阈值电流以上时逡逑ＬＤ的输出光功率随着电流的增加急剧增长，阈值电流拐点是ＬＤ器件的独有特逡逑征。对于发光二极管来说，其出射功率随着电流的注入从零开始基本呈线性X棾ぃ义希蹋牛牡模校汕咝甭屎苄。乙裁挥邢瘢蹋腻濉嬖阢兄档缌鞴盏悖馐沟茫蹋牛腻义衔薹ɑ竦媒细叩氖涑龉夤β省６杂冢樱蹋睦此担洌校商匦郧呙挥忻飨缘你兄靛义系缌鞴盏悖膊幌螅蹋牛陌阆咝员浠钦瓜治橛冢蹋暮停蹋牛牡淖刺忮义现种屑渥刺莆磴兄堤匦浴Ｓ氚氲继寮す馄飨啾龋涔苄枰蟮
本文编号：2834282
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN312.8
【部分图文】：
的反射为０，完全没有光的反馈谐振，出射光为非相干光。所以，ＳＬＤ器件是高逡逑功率、宽光谱、弱相干性的半导体光源器件，相比于ＬＤ，光谱宽度更宽，相比逡逑于ＬＥＤ输出光功率更高。三种光发射器件的输出功率和光谱示意图如图１－１所逡逑／＼邋Ｎ邋0逡逑ｅｒ邋…逦ｌｄ逡逑ＬＤ逦５－逡逑？逦－邋ｆ逡逑ｒ－邋＾邋ｈ逦ＣＤ逡逑旦逦ＳＬＤ逦＾逡逑｜ｉ逦＾逦１４逦／－ｉ＼ＳＬＤ逡逑ｃ邋ｉ邋．一逦．逦；逦．逦，逡逑０逦５０逦１ＣＯ逦１５０逦２０Ｄ逦ＫＯ逦ｄ４Ｃ逦８８２逦９ＺＪ逡逑Ｃｕｒｒｅｎｔ邋（ｍＡ）逦Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ邋（ｎｍ）逡逑图１－１邋ＳＬＤ、ＬＤ、ＬＥＤ输出功率（ａ）与光谱（ｂ）的比较［１］逡逑１．２．２超辐射管的发光机理逡逑光子与半导体内部载流子的相互作用有以下三类表现方式：自发辐射、受激逡逑辐射以及受激吸收。首先，自发辐射就是在没有任何外界作用下，激发态原子自逡逑发地从激发态向基态跃徖，同时辐射出一个光子的过程，各个原子在跃迁过程中逡逑彼此无关，产生的自发辐射光子在频率、相位、偏振以及传播方向上具有任意性；逡逑受激辐射是激发态的电子在外界光子的作用下，向基态或者低能态跃迁的同时辐逡逑射出光子的现象。此时，外来辐射光子的能量必须恰好是电子两个能级能量的差逡逑值，辐射出的光子具有与外界光子相同的频率、相位以及偏振等特性；受激吸收逡逑是当能量等于载流子高低能级的能量差的光子与处于低能级的载流子作用时
分是放大的自发辐射，光子在腔内的光增益过程中，对于不同频率的光子，受到逡逑的增益幅度并不相同，波长位于增益谱中心的光子能够得到的增益最强，而波长逡逑远离增益谱中心的光子能够得到增益较弱。图１－２展示的是ＬＤ、ＳＬＤ、ＬＥＤ三逡逑种发光器件光谱特征曲线。逡逑对于半导体发光器件，光谱中心波长是描述其光谱特性的主要参数之一。峰逡逑
电流（ｍＡ）逡逑图１邋－３邋ＬＤ、ＳＬＤ、ＬＥＤ的Ｐ－丨特性曲线逡逑图１－３是ＬＤ、ＳＬＤ、ＬＥＤ的Ｐ－Ｉ特性曲线。从图中可以看出，对于半导体逡逑激光器，其功率曲线的特点是存在明显的阈值拐点，当电流达到阈值电流以上时逡逑ＬＤ的输出光功率随着电流的增加急剧增长，阈值电流拐点是ＬＤ器件的独有特逡逑征。对于发光二极管来说，其出射功率随着电流的注入从零开始基本呈线性X棾ぃ义希蹋牛牡模校汕咝甭屎苄。乙裁挥邢瘢蹋腻濉嬖阢兄档缌鞴盏悖馐沟茫蹋牛腻义衔薹ɑ竦媒细叩氖涑龉夤β省６杂冢樱蹋睦此担洌校商匦郧呙挥忻飨缘你兄靛义系缌鞴盏悖膊幌螅蹋牛陌阆咝员浠钦瓜治橛冢蹋暮停蹋牛牡淖刺忮义现种屑渥刺莆磴兄堤匦浴Ｓ氚氲继寮す馄飨啾龋涔苄枰蟮
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