用于单片集成的硅基外延Ⅲ-Ⅴ族量子阱和量子点激光器研究

硅基光电子技术以光电子与微电子的深度融合为特征,是后摩尔时代的核心技术。硅基光电子芯片可以利用成熟的微电子平台实现量产,具有功耗低、集成密度大、传输速率快、可靠性高等优点,广泛应用于数据中心、通信系统等领域。除硅基激光器外,硅基光探测器、硅基光调制器等硅基光电子器件技术已经基本成熟,但作为最有希望实现低成本、大尺寸单片集成的硅基外延激光器仍然面临着诸多挑战。在此背景下,本文从直接外延无偏角Ⅲ-Ⅴ/Si(001)衬底、无偏角硅基激光器材料、外延技术,以及单片集成等方面探讨了近些年国内外硅基光源的研究进展,重点介绍了本研究组在硅基外延Ⅲ-Ⅴ族量子阱和量子点激光器方面的研究进展,包括无反相畴GaAs/Si(001)衬底的制备、硅基InGaAs/AlGaAs量子阱激光器材料外延、硅基InAs/GaAs量子点激光器材料外延和新型并联方式共面电极硅基激光器芯片制作等。

高性能锑化物中红外半导体激光器的研究进展

半导体材料体系经历了3次重要迭代,在微电子、通信、人工智能、碳中和等重要领域得到了广泛应用。随着高新技术的快速发展,锑化物半导体作为最具发展前景的第4代半导体材料之一,在开发下一代高性能、小体积、低功耗、低成本的红外光电器件领域具有独特的优势和广阔的应用前景。综述了锑化物半导体激光器的发展过程和国内外的研究现状,分析了器件结构设计、材料外延、模式选择、波长扩展等关键问题,阐述了采用分子束外延技术生长高性能锑化物量子阱激光器,实现大功率、单模、高光束质量的锑化物激光器的设计方案和关键工艺技术,并对兼具低成本、高成品率、大功率等优异特性的单模锑化物激光器的研究前景进行了展望。

InGaAsP多量子阱激光二极管及其组件的γ辐射效应

本工作进行多量子阱激光二极管及其组件的γ辐照实验研究,总剂量(以Si计)达5.5×104Gy。结果表明:多量子阱激光二极管抗γ射线辐照能力很强,在实验总剂量下,裸管形式的多量子阱激光二极管的P-I特性I、-V特性及中心波长基本未变化。而多量子阱激光二极管组件因包含光学窗口、耦合透镜及光纤等附属光学元件,这些附属元件受γ辐照后光学性能下降,最终导致激光二极管组件输出光功率随总剂量增大而下降,停止辐照后,不需加偏置,在室温下即能发生退火,使得斜率效率逐渐回升。

808 nm In GaAsP-InP单量子阱激光器热特性研究

从InGaAsP-InP单量子阱激光器结构分析入手,采用自行设计的热封闭系统对808nmInGaAsP-InP单量子阱激光器热特性进行了研究·实验表明,在23-70℃的温度范围内,器件的功率由1.74W降到0.51W,斜率效率由1.08W/A降到0.51W/A·实验测得其特征温度T0为325K·激射波长随温度的漂移dλ/dT为0.44nm/℃·其芯片的热阻为3.33℃/W·

MBE生长高质量GaAs／AlGaAs量子阱激光器

我们利用分子束外延方法研制了ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ缓交折射率分别限制（ＧＲＩＮ－ＳＣＨ）单量子阱和双量子阱激光器．对腔长为６００μｍ的端面不镀膜的宽接触条型Ｆ－Ｐ腔激光器，阈值电流密度（平均值）分别为２９０Ａ／ｃｍ２和２４０Ａ／ｃｍ２．腔长在１２００μｍ的双量子阱激光器的阈电流密度低达１９０Ａ／ｃｍ２．对出光面和背面分别镀以增透膜和高反膜的宽接触条型（８０μｍ）．激光器，线性输出功率高达１．８２Ｗ；出光面的斜率效率达到１．０４Ｗ／Ａ；利用湿法化学腐蚀所制备的脊形波导结构单量子阱激光器阈值电流最低可达８ｍＡ，且具有非常好的均匀性．

808nm大功率量子阱激光器无吸收腔面镀膜的研究

用电子束反应蒸发法制备的 ａ Ｓｉ∶ Ｈ 膜和 Ａｌ２ Ｏ３ 膜组成的 ａ Ｓｉ∶ Ｈ／ Ａｌ２ Ｏ３ 膜系，解决了 ａ Ｓｉ／ Ａｌ２ Ｏ３ 膜系在 ８０８ｎｍ 波长有较强光吸收问题，吸收系数从 ２×１０３ｃｍ － １ 降低到可以忽略的程度．ａ Ｓｉ∶ Ｈ 膜的光学带隙为 １７４ｅ Ｖ 左右．应用到 ８０８ｎｍ 大功率量子阱激光器腔面镀膜上。

808nm量子阱激光器电流调制特性的实验研究

本文首次对高功率GaAs/GaAlAs量子阱激光器 ( 80 8nm)的低频 ( 10 0Hz～ 2 0KHz)电流调制特性进行了实验研究。结果表明 :激光发射的接通延迟时间、阈值电流、正脉冲的占空比、平均功率。

SCH量子阱激光器的混沌同步通信研究

首先对光电子反馈及光电子注入式SCH量子阱激光器的混沌动力学行为进行了研究,然后采用光电子反馈及光电子注入式SCH量子阱激光器分别作为发射系统和接收系统进行混沌同步及同步通信的数值模拟研究.理论及数值模拟研究表明,利用SCH量子阱激光器进行混沌同步通信,可取得良好的通信效果.另外,采用本激光系统进行通信,有利于克服其他系统只能传输小信号的问题.

808nm大功率半导体量子阱激光器锁相列阵

在材料研究和器件特性分析的基础上，采用分子束外延方法（ＭＢＥ），成功地研制出低阈值电流密度、高量子效率、折射率缓变分别限制异质结单量子阱结构（ＧＲＩＮ－ＳＣＨ－ＳＱＷ）大功率半导体激光器锁相列阵，最大线性输出功率为１．５Ｗ（室温，连续），激射波长８０８±４ｎｍ，光－电转换效率最高达６２％，器件寿命考核（２５℃，ＣＷ）超过１０００小时无明显退化。

准连续大功率二维层叠量子阱激光器列阵

研究了大功率列阵器件的量子阱结构、材料生长、列阵结构、隔离技术与封装技术，研制出６条层叠ＧａＡｓ／ＡｌＣａＡｓ量子阱激光器列阵，其峰值功率为４０４Ｗ（２０Ｈｚ，２００μｓ），电－光转换效率高达４３．３％。

小发散角量子阱激光器研究

使用三层平板波导理论分析了半导体量子阱激光器远场分布。针对大功率激光器讨论了极窄和模式扩展波导结构方法减小垂直方向远场发散角,得到了极窄波导结构量子阱激光器远场分布的简化模型,获得了垂直发散角的理论值,垂直方向远场发散角减小为28.6°;使用传输矩阵方法模拟了模式扩展波导结构量子阱激光器的近场光斑及远场分布,垂直方向远场发散角减小为16°。实验测试了极窄和模式扩展波导结构量子阱激光器的垂直发散角,理论结果与实验测试获得的发散角基本一致,实现了降低发散角的要求,获得了小发散角量子阱激光器。

MOCVD生长大功率单量子阱激光器

本文介绍了ＭＯＣＶＤ生长的高质量ＧａＡｓ和ＡｌＡｓ材料以及（Ａｌ）ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ分别限制单量于阱激光器．ＧａＡｓ材料的７７Ｋ迁移率为１２２，７００ｃｍ２／（Ｖ·ｓ），ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ具有均匀陡变的界面．激光器的最大光输出功率为４Ｗ，平均光功率密度达４ＭＷ／ｃｍ２，斜率效率为１．２Ｗ／Ａ，在１Ｗ恒功老化４０００小时电流增加小于１０％，预计寿命可超过两万小时．

窄发散角量子阱激光器的结构设计与分析

本文对ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子阱结构激光器中重要的结构参数与远场垂直发散角的关系作了系统的理论计算与分析，提出了实现２０°～３０°垂直发散角的有效途径，并同时研究了对激光器的光功率限制因子、阈值电流密度等重要参数的影响．

低阈值电流密度INGaAs/GaAs/AlGaAs应变量子阱激光器

利用分子束外延技术，生长了极低阈值电流密度、低内损耗、高量子效率的InGaAs／GaAs／AlGaAs应变量子阱激光器．在腔长900μm时，80μm宽接触激光器阈值电流密度是125A／cm2，在腔长为2000μm时是113A／cm2，这样低的阈值电流密度是目前国内报道的最低值．激光器的内损耗和内量子效率分别是2cm－1和84％．

应变层InGaAsP量子阱激光器结构的调制光谱研究

利用光调制反射谱(PR)对1.55μm应变层InCaAsP三量子阱激光器结构进行了研究,在样品的波导层观察到了Franz-Keldysh振荡。利用Bastard包络函数方法和Kane模型从理论上计算了该应变层InGaAsP四元合金三量子阱内电子和空穴的能级和跃迁能量,计算结果与实验数据符合得很好,得到了In_(0.758)Ga_(0.242)As_(0.83)P_(0.17)与In_(0.758)Ga_(0.242)As_(0.525)P_(0.475)四元合金应变界面的导带不连续性。

GSMBE生长 1 .8- 2 .0μm波段In Ga As/ In Ga As P应变量子阱激光器

报道了气态分子束外延 ( GSMBE)生长 1.8— 2 .0μm波段 In Ga As/ In Ga As P应变量子阱激光器的研究结果 .1.8μm波段采用平面电极条形结构 ,已制备成功 10μm和 80μm条宽器件 ,器件腔长 5 0 0μm,室温下光致发光中心波长约为 1.82μm,在 77K温度下以脉冲方式激射 ,阈值电流分别约为 2 5 0 m A和 6 0 0 m A ,中心波长分别在 1.6 9μm和 1.73μm附近 .2 .0μm波段 ,制备成功 8μm宽脊波导结构器件 ,器件腔长 5 0 0μm,室温光致发光中心波长约为1.98μm ,77K温度下以脉冲方式激射 ,阈值电流约为 2 0 m A ,中心波长约为 1.89μm。

2μm半导体激光器有源区量子阱数的优化设计

利用LASTIP软件理论分析了有源区量子阱数目对不同组分的In Ga As Sb/Al Ga As Sb 2μm半导体激光器能带、电子与空穴浓度分布以及辐射复合率等性能参数的影响。研究表明：量子阱的个数是影响激光器件性能的关键参数,需要综合分析和优化。量子阱数太少时,量子阱对电子束缚能力弱,电子在p层中泄漏明显,辐射复合率低。量子阱数过多时,载流子在阱内分配不均匀,p型层中电子浓度升高,器件内损耗加大,辐射复合率下降。结合对外延材料质量的分析,In Ga As Sb/Al Ga As Sb半导体激光器有源区最优量子阱数目为2~3。该研究结果可合理地解释已有实验报道,并为2μm半导体激光器结构设计提供理论依据。

1.8μm波段台面条形结构InGaAsSb/AlGaAsSb量子阱激光器

报道了 1.8μm波段台面条形结构InGaAsSb/AlGaAsSb量子阱激光器的研制结果 ,器件在 77K下以脉冲方式工作 ,阈值电流约 2 5mA ,中心波长约 1.84 μm。

高功率半导体量子阱激光器测试中的灾变性损伤

在使用综合参数测试仪测试 80 8nm发射的半导体量子阱激光器的过程中 ,出现了一种由电浪涌所导致的灾变性损伤。通过测试的功率曲线和伏安特性曲线 ,断定激光器出现了灾变性的损伤 ,同时测试的发射光谱不再是激射光谱 ,而是由自发辐射所产生的荧光光谱。由扫描电镜 (SEM )观察到了激光器的腔面膜出现了熔化 ,证实激光器的确发生了灾变性损伤。作为对比 ,我们引用了另一种在测试中发现的快速退化现象 ,对两种退化出现的原因进行了理论上的分析 ,了解到激光器的退化主要还是由器件本身的材料、结构以及后期的工艺过程所决定的 ,在测试器件过程中电浪涌只不过会加速或产生突然灾变性退化。通过测试我们建立了一种比较简单的检验一个激光器质量可靠性的方法 。

高功率14xx nm锥形增益区脊形波导结构量子阱激光器的研制

初步设计14xxnm锥形增益区脊形波导量子阱激光器材料和器件结构,利用MOCVD生长14xxnmIn-GaAsP/InP量子阱激光器外延片,引入腔破坏凹槽(cavity-spoilinggrooves)将有源层刻蚀断以隔离从锥形区反向传输回的高阶模,进一步改善远场光束质量.保持总腔长1900μm不变,改变脊形区的长度,其长度分别为450,700和950μm.对比三种情况的最高输出功率和远场特性,发现LRW=700μm时,器件特性参数和远场光束质量最优,斜率效率为0·32W/A,饱和输出功率为1·21W,其远场为近衍射极限的高斯分布,发散角为29°×9·6°.当固定脊形区长度为700μm,改变锥形区长度,发现当锥形区长度为1000μm时,器件特性参数进一步提高,斜率效率达0·328W/A,饱和输出功率为1·27W,远场仍为近似高斯分布.