中红外带间级联激光器及异质结构中量子实空间转移效应研究

论文摘要

锑化物带间级联激光器是重要的中红外光源之一。该类激光器采用AlSb/InAs/GaInSb/InAs/AlSb的“W”型量子阱作为有源区,通过调控InAs和GaInSb材料层的厚度达到调制输出波长的目的;采用InAs/AlSb多量子阱作为注入区,实现载流子在多个级联周期的循环利用。这些设计使得带间级联激光器具备了高效率、低阈值和低功耗的特性,目前带间级联激光器已经在中红外波段表现出了优异的性能。本论文主要聚焦在中红外带间级联激光器的材料生长、器件制备和性能研究。此外,还对锑化物异质结构中的新型物理现象——量子实空间转移效应进行了研究并进行了初步的实验验证。本论文主要进行了以下几个方面的研究:1.带间级联激光器的结构计算。利用MATLAB编程求解简化了的Kane二带模型和单带模型,获得了有源区的能带结构。该结果与Kane四带模型计算得到的结果基本一致,并与文献报道的结果相吻合。此外还利用有限元软件计算了InAs基等离子体波导的光场分布。2.中红外带间级联激光器的制备和输出特性研究。利用分子束外延设备在InAs衬底上生长出高质量的中红外带间级联激光器材料。该材料负一级衍射卫星峰的半峰全宽仅28.8弧秒,级联周期的实际厚度与设计厚度偏差仅0.35%。将生长的材料用于制备条形F-P腔波导结构激光器,并在自己搭建的系统上进行了器件的性能测试。制备得到的器件在脉冲模式和连续工作模式下的最高工作温度分别为275 K和226 K。脉冲模式下激射波长从80 K下的3.80μm红移至275K下的4.14μm,其中80 K下阈值电流密度仅17 A/cm2。最后利用窄脊条器件在不同工作模式下的阈值电流密度对器件的自加热效应进行了分析,结果表明当热沉温度高于200 K,自加热效应将成为限制器件连续工作模式温度提升的主要因素。镀金以及倒焊工艺可以有效提升器件的散热性能,降低自加热效应对器件性能的影响。3.中红外带间级联激光器的增益损耗特性研究。分别利用变腔长方法和Hakki-Paoli方法对宽脊条器件和窄脊条器件进行测试。测试结果表明内部光学损耗的值与热沉温度基本成线性关系,其中窄脊器件的损耗值从80 K下的14 cm-1增加到200 K下的20.3 cm-1和220K下的23.6 cm-1,宽脊条器件的损耗值则从80K下的8.1 cm-1上升到200 K下的16.2 cm-1,并在210 K时迅速上升到20.9 cm-1。结果表明窄脊条器件的损耗值大于宽脊条器件,这可能是由于窄脊条器件的侧壁影响造成的。通过优化器件制备工艺可能减轻侧壁影响。此外,进一步优化波导结构和级联区结构是降低损耗,进一步提升工作温度的有效手段。4.在锑化物异质结构上开展了新型物理现象——量子实空间转移效应的实验验证研究。首先在GaAs/AlGaAs双量子阱结构中进行了传统实空间转移效应的研究,并成功观察到负阻效应,阈值电场强度1.5 kV/cm。在此研究基础上开展了对量子实空间转移效应的研究,生长出优质的量子实空间转移材料。通过一系列的实验和工艺优化,成功实现了金属电极与InAlAs/GaAsSb台阶量子阱输运层良好的欧姆接触,并初步观察到了量子实空间转移效应。测试得到的电压-电流曲线与模拟结果吻合的很好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
•   1.1 PN结中红外半导体激光器
•     1.1.1 PbSe铅盐激光器
•     1.1.2 锑化物中红外激光器
•   1.2 量子级联激光器
•   1.3 带间级联激光器
•     1.3.1 工作原理
•     1.3.2 发展历史
•     1.3.3 国内研究进展
•   1.4 论文安排
• 第2章 理论模型
•   2.1 材料参数
•     2.1.1 能带
•     2.1.2 折射率
•   2.2 能带模型
•     2.2.1 四带模型
•     2.2.2 二带模型
•     2.2.3 单带模型
•     2.2.4 模拟结果
•   2.3 激光器理论模型
•     2.3.1 波导结构
•     2.3.2 动态特性
•   2.4 总结
• 第3章 带间级联激光器的材料生长、器件制备及测试系统
•   3.1 带间级联激光器的材料生长
•     3.1.1 分子束外延
•     3.1.2 材料结构
•     3.1.3 材料质量表征
•   3.2 器件制备工艺
•     3.2.1 宽脊条器件的制备
•     3.2.2 窄脊条器件的制备
•     3.2.3 器件形貌表征
•   3.3 测试系统的搭建
•     3.3.1 波长测试系统
•     3.3.2 阈值和功率特性测试系统
•   3.4 总结
• 第4章 带间级联激光器的输出特性研究
•   4.1 激射波长
•   4.2 功率特性和阈值特性
•     4.2.1 功率特性研究
•     4.2.2 阈值特性研究
•   4.3 自加热效应研究
•     4.3.1 有源区实际温度估算
•     4.3.2 器件自加热效应分析
•   4.4 总结
• 第5章 带间级联激光器的增益损耗特性研究
•   5.1 损耗测试方法
•     5.1.1 变腔长方法
•     5.1.2 Hakki-Paoli方法
•     5.1.3 两种方法的对比
•   5.2 变腔长方法
•     5.2.1 窄脊条器件测试结果
•     5.2.2 宽脊条器件测试结果
•   5.3 Hakki-Paoli方法
•   5.4 分析与讨论
•   5.5 总结
• 第6章 锑化物异质结构中量子实空间转移效应研究
•   6.1 实空间转移效应
•     6.1.1 耿氏效应与实空间转移效应
•     6.1.2 欧姆接触优化
•     6.1.3 实验结果和分析
•   6.2 量子实空间转移效应研究
•     6.2.1 量子实空间转移效应概念
•     6.2.2 模拟与结构优化
•     6.2.3 实验与工艺优化
•     6.2.4 结果与讨论
•   6.3 总结
• 第7章 总结与展望
•   7.1 全文总结
•   7.2 存在的问题与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 余成章

导师: 陈建新

关键词: 中红外激光器,带间级联激光器,内部光学损耗,锑化物异质结,量子实空间转移

来源: 中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,物理学,无线电电子学

单位: 中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)

分类号: TN248;O413

DOI: 10.27581/d.cnki.gksjw.2019.000045

总页数: 119

文件大小: 3635K

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