1060nm隧道级联多有源区半导体激光器的结构设计及外延制备

发布时间：2020-10-26 05:22

　　 大功率半导体激光器以其体积小、效率高、寿命长等优势,广泛应用于工业加工、医疗美容、军事等领域。近年来,激光测距、激光焊接等系统越来越趋于小型化发展,对1060nm半导体激光器的输出功率、发散角、工作电压等方面提出了更高的要求。隧道级联多有源区半导体激光器利用反偏的隧道结将n个激光器片内级联,实现了内量子效率n倍提高,小电流下高功率输出,发光面积的增加提高了器件的COMD水平。本文针对1060nm隧道级联多有源区大功率半导体激光器的结构设计和外延制备主要进行了以下研究:(1)研究了隧道级联多有源区半导体激光器的研究背景。介绍了半导体激光器的发展史,分析了半导体激光器提高功率遇到问题及提高功率的传统方法;重点研究了隧道级联多有源区半导体激光器的工作原理、优势及发展现状。(2)研究了半导体激光器的外延生长技术。介绍了MOCVD外延生长技术的发展史,并重点阐述了本实验室的EMCORE D125型号LP-MOCVD系统的构成及工作原理。此外,对用于外延测试的两种技术:光致发光(PL)谱、电化学(ECV)的工作原理进行了阐述,并介绍了对应的实验室仪器。(3)设计了有源区结构并完成材料生长。运用基于6×6 Luttinger-Kohn的有限差分法,通过matlab编程模拟了InGaAs/GaAs量子阱结构,计算得到跃迁波长固定为1060nm时量子阱材料组分与阱宽的关系,确定了量子阱结构。研究了MOCVD生长过程中温度、Ⅴ/Ⅲ比对量子阱的影响,得到了高质量有源区外延材料。(4)设计了单有源区激光器结构并完成材料生长。介绍了半导体激光器的光波导理论,模拟计算了波导层的结构,设计了非对称大光腔波导结构。然后对限制层进行了模拟计算,设计了限制层结构。最后研究了生长温度、Ⅴ/Ⅲ比对Al_(0.1)Ga_(0.9)As/Al_(0.3)Ga_(0.7)As DH的影响,得到了高质量波导层、限制层外延材料。(5)设计了高性能隧道结并完成材料生长。基于GaAs同质结设计了InGaAs QW隧道结和InGaAs DQW隧道结,经过外延及工艺得到了隧道结器件,测试对比得到性能最好的隧道结InGaAs DQW隧道结。(6)多有源区激光器的材料生长及器件制备。首先通过MOCVD生长1060nm隧道级联三有源区半激光器外延片,并通过PL技术和ECV技术测试外延片的PL谱和掺杂浓度。然后利用后工艺将外延片制备得到激光器单管和迷你巴条,最后,测试激光器的光电特性。激光器单管阈值电流为407 mA,斜率效率为1.87 W/A。电流达到12A时,输出最大功率19.26W。迷你巴条阈值电流约为1.22A,斜率效率为1.88 W/A。注入电流达到28A时,输出最大功率47.76W。
【学位单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN248.4
【部分图文】：

激光器已经取得了极大的发展，如图1-1 所示半导体激光器结构有激光器单管、巴条、阵列，波长范围包含了从近紫外到可见光再到远红外。在利用半导体激光器作为核心器件的高速率的信息流的传输、处理、交换领域取得了很大的发展。在非通信领域，提高输出功率，调制辐射波长等方面同样取得了新的进展。半导体激光器在将来的各行各业将会发挥越来越重要的作用。图 1-1 （a）半导体激光器单管（b）巴条（c）阵列Fig. 1-1 (a) semiconductor laser single chip (b)bar (c)chip array1.1 半导体激光器的发展历史早在1951年，莫斯科Lebedev Institute的Nikolai Basov，Alexander Prokhorov便开始了对通过受激辐射实现微波放大（Microwave Amplification by StimulatedEmission of Radiation：MASER）的研究[2]。Arthur Schawlow 和 Charles Townes[3]及其他小组[4]于 1958-1960 年首次提出了 LASER（ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation )的概念。1961 年，前苏联巴索夫首次提出在半导体内可以产生受激辐射的理论[5]。1962 年 7 月，RCA 实验室和 MIT 林肯实验小组在固体器件研究会上报道了电致发光的 GaAs 扩散结二极管。同年 9-10 月的 30 天内，半导体激光器被美

图 1-2 （a）隧道级联多有源区半导体激光器示意图和（b）能带图Fig. 1-2 (a) Schematic diagram of the tunnel cascaded multi-active region semiconductor lasand (b) the energy band diagram during operation隧道级联多有源区半导体激光器工作时的能带图如图 1-2（b）所示，激光作时电子通过 n 型电极进入 n 型区，在第一个有源区内电子由导帯进入价带穴复合产生一个光子，然后电子可以穿过反偏的 pn 隧道结进入到第二有源第二个有源区内由导帯跃迁进入价带与空穴复合再次产生一个光子。也就是果激光器有 N 个有源区，从电极注入一个电子将会产生 N 个光子，这将极提高激光器的功率。.3.2 隧道级联多有源区半导体激光器的优点（1）内量子效率大于 1。传统半导体激光器内量子效率受到限制，不能大于 1。而多有源区半导体器受益于反偏隧道结对电子的再生作用，注入一个电子可以产生 N 个光子

图 2-1. EMCORE 公司 D125 型 LP-MOCVDFig. 2-1 D125 LP-MOCVD system of EMCORE MOCVD 系统主要由原材料气源输运系统、材料生长的反应室系系统、自动控制系统以及原位监测系统组成。其中反应室系统是该分。
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本文编号：2856556