锑化物中红外带间级联激光器制备及性质研究
发布时间：2021-02-11 09:38
中红外波段光电子器件在国防事业和民用领域应用广泛。锑化物半导体材料是目前中红外波段光电子器件的首选材料。利用锑基的In As/Ga Sb II类超晶格为有源区材料的锑化物带间级联激光器在红外对抗、战场气体探测、战场医疗、战场空间通讯以及环境污染检测和医疗卫生事业有着广泛的应用前景,成为本领域的热点研究内容。本论文针对锑化物带间级联激光器的核心,即有源区材料（In As/Ga Sb）发光效率低的关键科学问题,探索基于新的Ga Sb材料体系的高发光性能的破隙结构II型超晶格有源区的设计理念与实现方式。提出新的单分子层分布外延生长策略,有效解决InxGa1-xAsySb1-y四元合金所面临的不互熔隙问题;设计多种新型II类超晶格材料,采用更有效的材料表征方式与手段,分析材料物理性能,最终讨论此类新型有源区材料在红外波段半导体激光器中应用前景,为高性能红外波段半导体光电子器件研制提供新的材料技术与技术方案。具体开展如下研究内容。单分子层分布外延策略下的多元合金外延生长:针对其中InxG...
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：109 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
InAs/GaSb超晶格结构图
图1.10 InAs/GaSb超晶格结构图超晶格的设想在MBE技术出现以后才得以实现,这是一种在超高真空条件下用高纯源材料制备薄膜的技术(如图1.11)。MBE具有在原子层量级控制薄膜层厚的能力,可以制备界面平整成分陡峭的异质结构。即便如此,在超晶格的制备中还需要对生长温度、生长速率、界面类型以及组成材料的层厚进行系统的优化,才能实现两种材料的完美结合,制备出高质量的超晶格材料。在锑化物超晶格材料的生长中还存在有Sb元素在生长表面的偏析、无共用原子造成的界面失配以及界面处的V族元素互换等问题,这些材料属性引起的生长问题会明显的影响能带设计所期望的光电特性,由锑化物超晶格材料制备的实用化器件也在近20年内才陆续出现。
图1.12给出了半导体材料中光学激子激发过程。在光电探测器中,辐射是通过与束缚在晶格原子、杂质原子或自由电子上的电子相互作用而被物质吸收的。观察到的电输出信号是由改变的电子能量分布引起的。如图1.12(b)在量子阱中,子带间吸收发生在与导带(n掺杂)或价带(p掺杂)相关联的量子阱能级之间。如图1.12(c),在II型In As/Ga Sb超晶格的情况下,超晶格带隙由电子微带E1和布里渊区中心的第一重空穴态HH1之间的能量差确定。第二类能带排列的结果是电子和空穴的空间分离。I型超晶格由可变厚度的宽带隙的Al Ga As和在带隙的Ga As交替组成(见图1.13)。能带的排列方式如图所示。对红外光的吸收过程主要是通过导带量子化效应后,带间能级之间的跃迁实现的。Al Ga As层是作为非常厚的屏障层,可以抑制过载电流,比如超晶格的隧穿。量子阱的吸收系数通常很小,所以要根据光学跃迁的选择机制,采用巧妙的技巧将入射的辐射有效地耦合到结构中。Al Ga As/Ga As QWIP结构的优点是设计复杂度小和低1/f噪声。缺点是暗电流大,量子效率低,工作温度低。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Mid-infrared silicon photonic waveguides and devices [Invited][J]. YI ZOU,SWAPNAJIT CHAKRAVARTY,CHI-JUI CHUNG,XIAOCHUAN XU,RAY T.CHEN. Photonics Research. 2018(04)
[2]锑化物中红外半导体激光器研究进展[J]. 邹永刚,魏志鹏,马晓辉,史全林,刘国军,隋庆学,张志敏. 长春理工大学学报(自然科学版). 2011(03)
博士论文
[1]中红外波段锑化物激光器、探测器器件与物理研究[D]. 张雄.中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所） 2004
[2]2μm锑化物激光器、探测器材料、器件及物理[D]. 林春.中国科学院上海冶金研究所 2001
本文编号：3028903
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：109 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
InAs/GaSb超晶格结构图
图1.10 InAs/GaSb超晶格结构图超晶格的设想在MBE技术出现以后才得以实现,这是一种在超高真空条件下用高纯源材料制备薄膜的技术(如图1.11)。MBE具有在原子层量级控制薄膜层厚的能力,可以制备界面平整成分陡峭的异质结构。即便如此,在超晶格的制备中还需要对生长温度、生长速率、界面类型以及组成材料的层厚进行系统的优化,才能实现两种材料的完美结合,制备出高质量的超晶格材料。在锑化物超晶格材料的生长中还存在有Sb元素在生长表面的偏析、无共用原子造成的界面失配以及界面处的V族元素互换等问题,这些材料属性引起的生长问题会明显的影响能带设计所期望的光电特性,由锑化物超晶格材料制备的实用化器件也在近20年内才陆续出现。
图1.12给出了半导体材料中光学激子激发过程。在光电探测器中,辐射是通过与束缚在晶格原子、杂质原子或自由电子上的电子相互作用而被物质吸收的。观察到的电输出信号是由改变的电子能量分布引起的。如图1.12(b)在量子阱中,子带间吸收发生在与导带(n掺杂)或价带(p掺杂)相关联的量子阱能级之间。如图1.12(c),在II型In As/Ga Sb超晶格的情况下,超晶格带隙由电子微带E1和布里渊区中心的第一重空穴态HH1之间的能量差确定。第二类能带排列的结果是电子和空穴的空间分离。I型超晶格由可变厚度的宽带隙的Al Ga As和在带隙的Ga As交替组成(见图1.13)。能带的排列方式如图所示。对红外光的吸收过程主要是通过导带量子化效应后,带间能级之间的跃迁实现的。Al Ga As层是作为非常厚的屏障层,可以抑制过载电流,比如超晶格的隧穿。量子阱的吸收系数通常很小,所以要根据光学跃迁的选择机制,采用巧妙的技巧将入射的辐射有效地耦合到结构中。Al Ga As/Ga As QWIP结构的优点是设计复杂度小和低1/f噪声。缺点是暗电流大,量子效率低,工作温度低。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Mid-infrared silicon photonic waveguides and devices [Invited][J]. YI ZOU,SWAPNAJIT CHAKRAVARTY,CHI-JUI CHUNG,XIAOCHUAN XU,RAY T.CHEN. Photonics Research. 2018(04)
[2]锑化物中红外半导体激光器研究进展[J]. 邹永刚,魏志鹏,马晓辉,史全林,刘国军,隋庆学,张志敏. 长春理工大学学报(自然科学版). 2011(03)
博士论文
[1]中红外波段锑化物激光器、探测器器件与物理研究[D]. 张雄.中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所） 2004
[2]2μm锑化物激光器、探测器材料、器件及物理[D]. 林春.中国科学院上海冶金研究所 2001
本文编号：3028903
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