基于大失配外延GaAs基InGaAsP激光器材料生长和器件的研究

发布时间：2017-08-29 03:35

  本文关键词：基于大失配外延GaAs基InGaAsP激光器材料生长和器件的研究

  更多相关文章： 1.55μm 半导体激光器 InP/GaAs 异变外延 多量子阱 两步法

【摘要】：近年来,信息技术飞速发展,光纤通信系统面临着新的挑战。光纤通信系统中的数据收发和处理模块包含大量的光电子器件,光电子器件的性能直接影响光纤通信系统的整体性能。光电集成(OEIC)技术把多个光电器件集成在一个芯片上,不仅可以使得器件更加微小化,而且还能降低整体的功耗,提升光纤通信系统的整体性能,是人们目前关注的热点。 在光纤通信系统中,半导体激光器是关键器件。在长距离大容量的光纤通信系统中,石英光纤的低损耗的波长窗口为1.55μm,因此1.55μm激光器显得尤为重要。目前,光通信用的激光器多为InP基的InGaAsP激光器。InP系材料的单位面积成本居高不下,并且InP系材料的电子集成芯片(IC)发展不够成熟,限制了其在某些领域的发展。GaAs系材料的电学性能优良,电子集成(IC)技术更为成熟。在GaAs衬底上集成InP器件不仅可以有效的解决InP材料的不足,促进光电集成(OEIC)的发展,而且也是InP材料向Si上集成的重要过渡。 本论文工作以GaAs上InP集成为出发点,重点围绕GaAs衬底上集成1.55μm InP激光器的外延生长和激光器的工艺制备和测试,进行了深入的研究。论文的主要研究内容和创新点如下： 1.利用MOCVD设备,探索了InGaAs/InGaAsP多量子阱激光器的外延生长条件。通过对Zn源通入时间的控制,解决了Zn元素向有源区的扩散问题。在InP衬底上实现了InGaAs/InGaAsP多量子阱激光器,制备出了200×500μ m2条形宽接触激光器,室温下脉冲条件下测试阈值电流为700mA,单边斜率效率为0.15mw/mA。 2.实验研究了InP/GaAs的异变外延生长。通过两步法生长方式,在GaAs衬底上生长了高质量的InP外延层。利用超晶格和循环退火,提升外延层的晶格质量。 3.利用两步法,成功在GaAs寸底上生长了InGaAsP激光器结构。XRD测试结果显示,多量子阱衍射峰清晰地在InP峰的两侧显现,电化学CV测试结果显示,p区和n区的掺杂浓度均匀,掺杂浓度可以稳定在1×1018cm-3左右。原子力显微镜测试结果显示10×10μm2区域的粗糙度的均方根为1.39nm。 4.成功制备出了GaAs基InGaAsP条形宽接触激光器,器件腔长为500μm,P电极宽度为50μm。室温下脉冲测试阈值电流为476mA,单边斜率效率为0.15mW/mA;在电流为700mA时,测试光谱峰值波长为1549.5nm,半宽为4.9nm,垂直发散角为38°。在准连续模式下连续工作2000小时以上 5.成功制备出GaAs基InGaAsP宽条激光器,其中条宽为30微米,腔长为500μm,在室温下实现连续激射,阈值电流密度为2kA/cm2,在1.1倍的阈值电流时,激光光谱的峰值波长为1548.7nm,半高宽为1.3nm。在10℃到60℃的特征温度为65K。进行老化测试显示,1.1倍阈值电流的电流下测试500小时,激光器的阈值电流变化40mA,加速老化测试结果显示激光器的寿命为1400小时以上 6.研究了InGaAsP应变补偿量子阱结构,并且在GaAs衬底上首次实现了InGaAsP应变补偿多量子阱激光器,成功制备出宽接触条形激光器。其中异面结构电极宽度为50μm,腔长为500μm,在室温下实现了脉冲激射,阈值电流为1260mA。共面结构激光电极宽度为12μm,腔长为500μm,室温下闽值电流为600mA左右。
【关键词】：1.55μm 半导体激光器 InP/GaAs 异变外延 多量子阱 两步法
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN248;TN929.11
【目录】：

• 摘要4-6
• abstract6-12
• 第一章 绪论12-16
• 1.1 研究背景和意义12-13
• 1.2 论文结构安排13-15
• 参考文献15-16
• 第二章 GaAs基1.55μm激光器的研究进展和激光器基本原理16-38
• 2.1 半导体激光器和光纤通信系统16-18
• 2.1.1 半导体激光器16-17
• 2.1.2 光纤通信系统17-18
• 2.2 InP/GaAs异变外延生长18-19
• 2.3 GaAs基1.55μm波长半导体激光器19-24
• 2.4 半导体激光器的基本理论24-33
• 2.4.1 半导体激光器的基本原理24-27
• 2.4.2 异质结激光器27-33
• 本章小结33-34
• 参考文献34-38
• 第三章 外延材料的制备方法和表征手段38-50
• 3.1 金属有机化学气相沉积(MOCVD)38-41
• 3.2 材料性能表征手段41-48
• 3.2.1 X射线衍射(XRD)41-44
• 3.2.2 光致荧光(PL)44-45
• 3.2.3 原子力显微镜(AFM)45-46
• 3.2.4 ECV46-47
• 3.2.5 其他表征手段47-48
• 3.3 本章小结48-49
• 参考文献49-50
• 第四章 InP基1.55μm InGaAsP多量子阱激光器50-70
• 4.1 InGaAs/InGaAsP多量子阱激光器的调试和外延生长50-63
• 4.1.1 生长速度的调节52-53
• 4.1.2 三元材料In_xGa_(1-x)As组分调节53-55
• 4.1.3 四元材料In_(1-x)Ga_xAs_yP_(1-y)的调节55-59
• 4.1.4 量子阱区域调节59-60
• 4.1.5 掺杂调节60-63
• 4.2 外延晶片测试63-64
• 4.3 器件制备及性能测试64-66
• 4.3.1 器件制备64-65
• 4.3.2 性能测试65-66
• 4.4 1.55μm应变补偿量子阱的研究66-67
• 4.5 本章小结67-69
• 参考文献69-70
• 第五章 InP/GaAs异变外延生长的研究70-84
• 5.1 InP/GaAs异变外延生长70-74
• 5.1.1 两步法生长70-72
• 5.1.2 超晶格和循环退火72-74
• 5.2 InP/GaAs异变外延低温缓冲层的位错分析74-77
• 5.2.1 位错的产生机制74-76
• 5.2.2 InP/GaAs异变外延生长中穿透位错密度计算76-77
• 5.3 InP/GaAs缓冲层77-80
• 5.4 本章小结80-81
• 参考文献81-84
• 第六章 GaAs基1.55μmInGaAsP多量子阱激光器84-102
• 6.1 异面宽接触条形激光器材料生长及器件测试(脉冲激射)84-91
• 6.1.1 GaAs基InGaAsP F-P腔激光器器件及性能测试84-89
• 6.1.2 GaAs基InGaAsP应变补偿量子阱激光器89-91
• 6.2 异面宽条激光器(室温连续激射)91-95
• 6.2.1 器件结构及其制备91
• 6.2.2 性能测试分析91-95
• 6.3 共面宽接触激光器95-98
• 6.3.1 材料生长以及测试95-96
• 6.3.2 器件制备及测试96-98
• 6.3.3 共面GaAs基InGaAsP(应变补偿)激光器器件及性能测试98
• 6.4 异面脊波导激光器的尝试98-100
• 6.5 本章小结100-101
• 参考文献101-102
• 第七章 总结和展望102-104
• 致谢104-106
• 硕士期间发表论文106

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 邵永富,陈自姚,彭瑞伍;电化学C-V法测量半导体材料载流子浓度分布[J];半导体学报;1982年03期

2 王琦;任晓敏;熊德平;周静;吕吉贺;黄辉;黄永清;蔡世伟;;InP/GaAs异质外延及异变InGaAs光探测器制备[J];光电子.激光;2007年10期

3 刘红兵;王琦;任晓敏;黄永清;;基于低温In_xGa_(1-x)P组分渐变缓冲层的InP/GaAs异质外延[J];光电子.激光;2009年07期

4 熊德平;任晓敏;王琦;周静;舒伟;吕吉贺;蔡世伟;黄辉;黄永清;;Heteroepitaxial growth of InP/GaAs(100) by metalorganic chemical vapor deposition[J];Chinese Optics Letters;2007年07期

5 于兴君，徐德治;应变层超晶格晶格常数公式的证明[J];辽宁师范大学学报(自然科学版);1994年04期

，

本文编号：751150