InGaN/GaN量子阱悬空微盘发光二极管

设计并制备了三种不同结构的电泵浦InGaN/GaN量子阱微盘发光器件,对其光增益和光损耗进行了分析和优化。以p型层的结构为分类标准,器件Ⅰ为圆柱形;器件Ⅱ为器件Ⅰ的悬空结构;器件Ⅲ是悬空的圆环形结构。实验和仿真结果表明,三种器件结构中,器件Ⅱ的结果最好。电极布局为内p外n型的圆柱形器件表面电流分布能够保证发光区和微腔高增益区重合,悬空结构能够降低微盘在垂直方向上的光损耗,有利于更好的光学增益。考虑到共振模式,器件Ⅱ在注入电流大于0.7 mA时,器件Ⅱ实现了峰值波长为408.2 nm、半峰宽为2.62 nm的振荡模式输出。这种电泵浦InGaN/GaN量子阱悬浮微盘二极管器件的设计思路对电泵浦微盘或微环激光器的研制具有重要参考意义。

基于半导体量子阱中四波混频效应的高效光学非互易

基于半导体量子阱纳米结构中的四波混频效应,提出了一种无磁光学非互易的理论方案.利用实验可得的合适参数,实现了具有高传输率的非互易传输和非互易相移.此外,将这种半导体量子阱纳米结构嵌入马赫-曾德尔干涉仪,选择适当的参数,可以实现隔离比为92.39 dB、插入损耗为0.25 dB的双端口光隔离器,以及保真度为0.9993、光子存活率为0.9518、低插入损耗的四端口光环行器.半导体介质具有更容易集成和参数可调的优势,此方案可以为基于半导体固态介质的非互易性和非互易光子器件的实现提供理论指导.

Zn杂质诱导GaInP/AlGaInP红光半导体激光器量子阱混杂的研究

在GaAs基GaInP/AlGaInP单量子阱结构外延片上分别使用磁控溅射设备生长ZnO薄膜和等离子增强化学气相沉积设备生长SiO2薄膜,以ZnO介质层作为Zn杂质诱导源,采用固态扩Zn的方式对激光器进行选择性区域诱导以制备非吸收窗口来提高器件的腔面光学灾变损伤阈值,从而提高半导体激光器的输出功率和长期可靠性。在580~680℃、20~60 min退火条件下对Zn杂质诱导量子阱混杂展开研究,实验发现,ZnO/SiO2或ZnO/Si3N4复合介质层的采用比单一Zn介质层的杂质诱导蓝移量大,且在680℃、30 min的条件下获得了最大55 nm的蓝移量。分析结果表明,介质层所施加的压应变会将外延片表面GaAs层中Ga原子析出,促使Zn原子进入外延层中以诱导量子阱混杂。通过测量光致发光光谱发现发光强度并没有明显下降,可为后期器件制作提供借鉴。

非均匀GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器材料表征和器件性能研究

本文利用分子束外延(MBE)技术成功生长了GaAs/AlGaAs非均匀量子阱红外探测器材料,并对相关微结构作了细致表征。分析比较了非均匀量子阱结构和常规量子阱红外探测器性能差异,并对比研究了不同势阱宽度下非均匀量子阱红外探测器的性能变化。通过高分辨透射电子显微镜(HRTEM)结合能谱仪(EDS)对非均匀量子阱红外探测器材料微结构进行了分析,并利用二次离子质谱仪(SIMS)对非均匀势阱掺杂进行了表征。结果表明,该量子阱外延材料晶体质量很好,量子阱结构和掺杂浓度也与设计值符合较好。对于非均匀量子阱红外探测器,通过改变每个阱的掺杂浓度和势垒宽度,可以改变量子阱电场分布,而与传统的均匀量子阱红外探测器相比,其暗电流显著下降(约一个数量级)。在不同阱宽下,非均匀量子阱的跃迁模式发生改变,束缚态到准束缚态跃迁模式下(B-QB)的器件具有较高的黑体响应率以及较低的暗电流。

1.3μm无致冷AlGaInAs/InP应变补偿量子阱激光器设计与制作

基于半导体量子阱激光器的基本理论 ,设计了合理的 1 .3 μm无致冷 Al Ga In As/ In P应变补偿量子阱激光器结构 ,通过低压金属有机化学气相外延 ( LP-MOVPE)工艺在国内首次生长出了高质量的 Al Ga In As/ In P应变补偿量子阱结构材料 ,用此材料制作的器件指标为激射波长 :1 2 80 nm≤λ≤ 1 3 2 0 nm,阈值电流 :Ith( 2 5℃ )≤ 1 5m A,Ith( 85℃ )≤ 3 0 m A,量子效率变化 :Δηex( 2 5℃～ 85℃ )≤ 1 .0 d B,线性功率 :P0 ≥ 1 0 m

直波导耦合输出AlGaInAs多量子阱环形激光器研究

采用InP基InAlGaAs多量子阱激光器外延材料结构,利用感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀技术和聚酰亚胺介质平坦化工艺,研制了多量子阱半导体环形激光器样品.该器件通过加正偏压的环形结构谐振腔实现光激射,然后借助紧邻的直线波导耦合将光信号输出.环形谐振腔直径为700μm,波导宽度为3μm.用光纤对准直线波导端口耦合测试了环形激光器的光功率-电流特性曲线和激射光谱,其阈值电流为120mA,在注入电流160mA时从直波导耦合输出得到激射光谱的中心波长为1602nm,并结合光功率-电流特性曲线对环形激光器中的工作模式进行了初步分析.

超晶格插入层对InGaN/GaN多量子阱的应变调制作用

在InGaN/GaN异质结构量子阱内存在巨大的压电极化场,这严重地削弱了量子阱的发光效率.为了减弱量子阱内的压电极化场,通常引入应变调制插入层提升器件的发光性能.为了研究InGaN/GaN超晶格的应变调制效果和机理,实验设计制备了具有n型InGaN/GaN超晶格插入层的外延结构及其对照样品.变温光致发光谱测试表明引入n型InGaN/GaN超晶格插入层的样品发光波长更短且内量子效率提升,相应的电致发光谱积分强度也显著增加且半宽减小,说明引入超晶格应变插入层可以在一定程度上抑制影响发光效率的量子限制Stark效应.理论计算结果表明:在生长有源区量子阱前引入超晶格应变层,可以削弱有源区量子阱内极化内建电场,减弱有源区量子阱能带倾斜,增加电子空穴波函数交叠,提高发射几率,缩短辐射复合寿命,有利于辐射复合与非辐射复合的竞争,实现更高的复合效率,从而提高发光强度.本文从实验和理论两方面验证了超晶格应变调制插入层可以有效改善器件性能,为器件的结构设计优化指明方向.

AlGaInAs多量子阱材料增益偏振相关性分析

考虑光场限制因子、温度变化和阱间载流子非均匀分布,给出AlGaInAs多量子阱增益求解的分析模型。对量子阱应变量、阱宽和载流子浓度对材料增益TE模和TM模的影响进行了分析。设计出C波段内增益低偏振相关的混合应变多量子阱结构。在15~45℃温度范围,其模式增益具有低的偏振相关性(2%以内);当注入载流子浓度从2×10^(24) m^(-3)增大到3×10^(24) m^(-3)时,模式增益逐渐增大,且能在一定温度下保持低的偏振相关(3%以内)。

硅基InGaN/GaN多量子阱微盘器件的发光、探测和数据传输

光源和探测器的集成可有效促进轻量化和小型化光电系统的发展,InGaN/GaN多量子阱器件中发光与探测共存现象为收发一体芯片的设计提供了可能。本文采用标准半导体工艺制备了硅片上集成的圆盘形InGaN/GaN多量子阱阵列器件,并对其发光、探测以及基本通信特性进行了研究。微盘型器件中的共振模式有助于提升其探测特性,同时各向同性的辐射特性有助于器件作为光源时与探测器在空间上的耦合。作为光源,该器件的开启电压为2.5 V,中心波长455 nm,-3 dB带宽为5.4 MHz。作为探测器,该器件对紫外到蓝光波段的光有响应,探测性能随波长增加而减弱,截止波长450 nm。在365 nm光源激发下,该器件具有最高开关比7.2×10^(4),下降沿时间为0.41 ms。同时,基于单个微盘器件,本文构建并演示了半双工通信系统,在不同频段实现数据传输。这项研究对于电驱动光源制备以及收发一体的光通信具有重要意义。

多量子阱钙钛矿半导体合成及光伏性能表征的综合实验设计

随着全球能源需求的持续增长和环境保护意识的加强,开发和利用可再生能源成为了当务之急。在这一背景下,钙钛矿光伏电池以其高效率和低成本的特性受到了广泛研究。本文介绍了一个综合物理实验,即多量子阱钙钛矿的合成及其光伏性能的表征。实验旨在通过合成多量子阱钙钛矿材料并评估其在光伏应用中的性能,以培养学生的科研兴趣和实践技能。实验内容包括:多量子阱钙钛矿材料的合成,采用层间插层策略引入不同尺寸的有机阳离子,以调控材料的结构与相分布;通过X射线衍射和吸收-发光光谱技术对材料的晶体结构、结晶性、光学和电学性质进行表征;制备钙钛矿光伏电池并通过电流-电压曲线评估其光电转换效率。本实验有望使学生深入理解材料物理、器件物理和光伏技术的基本概念,激发他们在新能源领域的研究兴趣,为他们未来的科研活动或职业生涯提供实践经验和技术基础。实验的设计兼顾了教学的全面性和科研的前沿性,有望在物理及相关学科的教学改革中起到积极作用。

Ge/SiGe非对称耦合量子阱强度调制特性仿真

硅基光子学已被广泛认为是能实现片上光电子集成的有效平台,然而迄今为止,对硅基光源、探测器以及调制器等硅基有源器件的研究仍然具有一定的挑战性。为此,提出并仿真分析了一种可以用于实现硅基强度调制的Ge/SiGe非对称耦合量子阱结构。首先,利用8带k·p理论模型对耦合量子阱的能带结构和电子波函数进行了仿真计算;然后,详细分析了外加电场强度在0 kV/cm至60 kV/cm范围内,非对称耦合量子阱对TE和TM偏振模式的传输光的光吸收谱随外加电场强度的变化。仿真结果表明,对于TE偏振模式的传输光,在无外加电场强度条件下,非对称耦合量子阱的第一个吸收带边约在1449 nm处;而在30 kV/cm外加电场下,该量子阱的吸收带边相比于无外加电场情况向长波方向移动约22 nm,比相同外加电压下的普通量子阱显著。本工作所提出的Ge/SiGe非对称耦合量子阱结构是一种有望实现更低工作电压、更高速和更低损耗硅基强度调制器的结构。

高功率1.31μm AlGaInAs应变多量子阱DFB激光器

采用金属有机化学汽相淀积工艺和脊型波导结构，同１．３１μｍＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ应变多量子阱分布反馈激光器高功率输出。在２５℃时，管芯最大输出功率超过５０ｍＷ，阈值电流范围在１３－２０ｍＡ之间，发光面斜效率高于０．４５ｍＷ／ｍＡ，边模抑制比超过３５ｄＢ，室温中值寿命大于３＊１０＾５小时。

一款多色叠层量子阱红外探测器的读出电路设计

一款完整的红外焦平面探测器主要包含探测器件、读出电路、封装结构和制冷组件。目前根据不同应用场景,探测波段范围不断变宽、探测灵敏度需求提高、成像速度要求加快,对探测器设计提出了更严格、更复杂的指标要求。其中,读出电路将探测光信号转换为电信号传输至系统,是探测器组件的关键核心模块。本文设计了一款对应多色叠层量子阱型器件的红外焦平面探测器读出电路,能够实现同时间、同空间对四波段信号进行探测,并且同时读出,四波段信号的探测积分与读出之间没有互相干扰。探测器规格640×512,像元间距50μm(四波段),各波段信号可实现分时积分、分别可调,采用边积分边读出工作模式,读出帧频可达到四波段探测时≥50 Hz,电路噪声≤0.5 mV,动态范围≥70 dB,电功耗≤600 mW,是一款超大规模低噪声高帧频的高性能读出电路。

不同晶面应变纤锌矿GaN/AlN量子阱的价带结构理论研究

为深刻理解应变异质结量子阱结构的物理性质,帮助改进基于宽禁带氮化物半导体器件的设计,本文基于六带应力相关的k·p哈密顿量与自洽薛定谔-泊松方程建立了在场约束效应下极性(0001)、半极性(10■2)及非极性(10■0)晶面的纤锌矿GaN/AlN量子阱价带子带模型,并给出了不同晶面GaN/AlN量子阱在双轴和单轴应力作用下的子带能量色散关系。根据应力对量子阱价带结构的影响,对应力与空穴有效质量之间的微观物理关系进行了综合研究。结果表明,价带结构对晶体取向的改变有很大的依赖性。双轴应力对有效质量的改善效果不大,然而单轴压缩应力通过降低垂直沟道方向的能量使低有效质量区域获得更多的空穴,从而有效降低空穴有效质量,且在不同晶面的结构中都减少了约90%。

二维半导体异质结MoS_(2)/MoSe_(2)中一维量子阱形成机制的电子显微学研究

本文使用两步化学气相沉积法(chemical vapor deposition,CVD)成功合成了单层二维半导体MoS_(2)/MoSe_(2)面内异质结,通过扫描透射电子显微学(scanning transmission electron microscopy,STEM)对异质结中不同类型的量子阱进行了原子尺度结构和局域应力分析,探索了二维半导体材料中,不同结构特征处诱导形成一维量子阱结构的机理。主要包括:(1)晶格失配的二维半导体异质结界面处周期性位错阵列诱导形成的量子阱超晶格;(2)二维半导体晶格内非60°晶界所包含的周期性位错诱导形成周期可控的量子阱超晶格;(3)由连续4|8元环结构组成的60°晶界诱导形成的超长单一量子阱结构。

AlGaInAs/InP应变补偿多量子阱激光器

为了优化在长距离光纤通讯系统中采用的1.31μm波长的量子阱激光器,对AlGaInAs/InP材料的有源区应变补偿的量子阱激光器进行了设计研究。采用应变补偿的方法,根据克龙尼克-潘纳模型理论计算出量子阱的能带结构,设计出有源区由1.12%的压应变AlGaInAs阱层和0.4%的张应变AlGaInAs垒层构成。使用ALDS软件对所设计出的器件进行了建模仿真,对其进行了阈值分析和稳态分析。结果表明,在室温25℃下,该激光器具有9mA的低阈值电流和0.4W/A较高的单面斜率效率;在势垒层采用与势阱层应变相反的适当应变,可以降低生长过程中的平均应变量,保证有源区良好的生长,改善量子阱结构的能带结构,提高对载流子的限制能力,降低阈值电流,提高饱和功率,改善器件的性能。

1.31μm AlGaInAs/InP多量子阱激光器设计及其温度特性

为了优化适用于长距离的光纤通讯系统的1.31μm波长的量子阱激光器,采用AlGaInAs/InP材料设计应变多量子阱激光器,选取合适的量子阱个数、合适的应变量,并研究其温度特性。采用载流子和光分别限制的梯度折射率波导（GRIN-SCH）结构设计了多量子阱结构,采用BCB（苯并环丁烯）材料平面化脊波导结构,使用E-beam曝光技术和低损伤ICP干法刻蚀技术制作非对称相移光栅,设计了AlGaInAs/InP应变多量子阱激光器。使用ALDS激光器材料和结构设计软件包,选取了最佳量子阱个数,在此基础上,通过实验对比引入合适的应变量,并选取最佳温度。仿真及实验结果表明,在量子阱个数为10时达到最佳量子阱个数;有源区由1.3%的压应变AlGaInAs阱层和0.6%的张应变AlGaInAs垒层构成时,温度在25℃时,激光器发光特性得到优化。

MOCVD生长AlGaInAs/InP多量子阱激光器

为研制符合高线性大功率的应变多量子阱激光器,文章在理论上计算了应变补偿,实验选用了金属有机物化学气相沉淀(MOCVD)工艺来研制生长AlGaInAs应变补偿多量子阱结构,最终有源区采用了7组张压应变交替的势垒和势阱层。激光器样本芯片采用共面电极结构,使得激光器的工作电流无需通过衬底,从而降低了激光器工作电容,其电容与传统激光器相比得到相应地减小,提高了激光器的光电特性。实验室制作出了应变多量子阱激光器样本芯片,光荧光分析得出光致发光谱,激射波长为1 304nm;阈值电流为Ith≤9mA;单面斜率效率为0.44 W/A。测试结果表明该器件有良好的性能参数。

AlGaInAs/InP多量子阱激光器的量子阱数的优化

为了研制符合"国家863"项目要求的,满足高线性大功率直接调制应变多量子阱半导体激光器,对AlGaInAs/InP应变多量子阱激光器的有源区的量子阱数及芯片生长工艺进行了研究。根据求解速率方程组、计算载流子浓度分布,分析瞬态过程和稳态过程,得出理论最优阱数,再在最优阱数下对比不同温度下的激光器的各项性能指标,得出最佳温度值。基于ALDS软件模拟建立了AlGaInAs/InP仿真模型,模拟结构输入、材料求解、阈值分析、性能计算等。讨论了不同量子阱个数、不同温度对器件稳态、大小信号、噪声等的影响。结果表明,当阱组分为Al_(0.24)Ga_(0.23)In_(0.53)As,阱宽为3.3nm,垒宽为8.1nm,阱数为10,温度为25℃,本激光器各项性能指标均为最优,阈值电流达13.40mA,输出功率为5.6mW。

高性能低阈值高温无致冷1.3μm AlGaInAs量子阱激光器

讨论了影响激光器高温特性的主要因素 ,提出了在 1 .3μm高温无致冷 Al Ga In As应变量子阱激光器中采用倒台脊波导 ( RM- RWG)结构可以改善激光器高温无致冷的工作特性 ,研制出了 RM- RWG结构的 1 .3μm高温无致冷 Al Ga In As应变量子阱激光器 ,其阈值电流为 6m A,特征温度达到 95 K( 2 5℃～ 85℃ ) 。