GaAs与InP半导体光导开关特性实验研究

利用Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)及其掺杂材料制作的光导开关具有很好的时间响应及高功率输出特性.比较了这两种材料制作的不同电极间隙类型的光导开关的开关时间响应速度、导通光能与饱和触发激光能量、线性与非线性工作模式及触发稳定性等特性.结果表明,利用InP和GaAs两种材料制作的光导开关都具有达到皮秒级的超快时间响应,其对时间最佳响应与偏置电场有关.两种开关的多次触发时间抖动在几个皮秒范围,输出电压峰峰值抖动优于10 %.GaAs开关的非线性工作电场阈值比InP开关低,更容易实现非线性输出.

InP材料直接键合技术

研究了 In P/In P的直接键合技术 ,给出了详细的 In P/In P键合样品的电特性随健合工艺条件变化的数据 ,在低于 6 5 0℃的键合温度下实现了 In P/In P大面积的均匀直接键合 ,获得了与单晶 In P衬底相同的电特性和机械强度 .在器件的键合实验中也获得了成功 ,在 In Ga As P/In P多量子阱激光器结构的外延面上键合 p- In P衬底后制作的激光器激射特性良好 .

用正电子湮没寿命技术研究掺杂的InP

用正电子湮没寿命研究了多掺杂和单掺杂Ｓｎ的ＩｎＰ在不同载流子浓度、电导率和位错密度下空位浓度的变化。

2～3微米波段InP基无锑激光器和光电探测器

介绍了我们基于InP衬底采用无锑材料体系开展的2～3μm波段激光器及光电探测器方面的持续探索，包括采用赝配三角形量子阱方案的2～2．5μm波段I型InGaAs多量子阱激光器、采用虚拟衬底异变方案的2．5～3μm波段I型InAs多量子阱激光器、以及截止波长大于1．7μm的高In组分InGaAs光电探测器等，这些器件结构均采用GSMBE方法生长，其中2．5μm以下波长的激光器已实现了高于室温的CW激射并获实际应用，2．9μm波长的激光器也在热电制冷温度下实现了脉冲激射，含超晶格电子阻挡势垒层的截止波长2．6μm InGaAs光电探测器暗电流显著减小，此类光电探测器材料已用于航天遥感焦平面组件的研制．

InP基长波长晶体管激光器(特邀)

晶体管激光器同时具有激光器的光发射功能与晶体管的电流控制功能,表现出多种新颖的光电特性.相对于短波长GaAs基器件,InP基长波长晶体管激光器更适合于光纤通信系统应用因而具有重要研究价值.本文主要介绍发光波长在1.3μm与1.5μm的InP基长波长晶体管激光器的研究进展,对不同结构器件的特点及可用于提高器件性能的相关器件设计进行了分析和讨论.根据器件波导结构的不同目前已报道的边发射晶体管激光器主要包括浅脊、掩埋及深脊结构三种类型.浅脊晶体管激光器中有源量子阱材料被置于重掺杂基区材料之中,使得InP基晶体管激光器只能在低温工作.掩埋结构的InP基晶体管激光器采用npnp型InP电流阻挡层掩埋脊条型有源材料,制作工艺过于复杂,不利于降低器件成本.深脊晶体管激光器中量子阱有源区材料位于重掺杂基区材料之上,可同时减小掺杂杂质扩散及基区材料光吸收的不利影响,基于该结构实现了InP基1.5μm波段晶体管激光器室温连续电流工作.数值计算研究表明,在深脊晶体管激光器量子阱中进行n型掺杂及在其发射极波导中引入由反向pn结构成的电流限制通道均可以减少载流子向缺陷的扩散,进而减小缺陷的不利影响,提高器件性能.

差温生长法制备 1.55 μm InP/InGaAsP/InP 激光晶片

采用差温生长法制备了１．５５μｍＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ双异质结激光晶片．差温生长法是在高温（约６２６℃）状态下生长ＩｎＧａＡｓＰ有源层；然后降低温度，在低温（约６００℃）状态下生长Ｐ－ＩｎＰ上限制层．此方法有效地解决了这种结构长波区（λ＞１．４５μｍ）的回熔问题，并克服了其他方法的缺点．

1.74μm大应变InGaAs/InGaAsP半导体锁模激光器

针对光频梳、医学光声成像及痕量气体探测等应用需要,研制了一种InP基碰撞锁模半导体激光器,可在1.74μm波段实现重复频率为19.3GHz的高效锁模,其射频(RF)谱半高全宽(FWHM)约14kHz。在可饱和吸收区未加偏压时,激光器的阈值电流为83mA,最大出光功率可达到25.83mW。固定吸收区偏置电压在-1.6V,增益区驱动电流高于130mA时,锁模激光器开始输出微波射频信号,并且RF谱的FWHM随着电流增加可下降至十几kHz。固定驱动电流为520mA,在吸收区偏置电压从-1.4V降至-2V过程中,激光发射光谱逐渐展宽,在-2V偏压下,光谱的FWHM为9.88nm,包含40多个间隔为0.2nm的纵模。对比分析了不同驱动电流和偏置电压下的射频频谱和发射光谱的变化趋势,证明了该锁模器件具有高效、稳定的锁模机制。

在InGaAsP/InP双异质结构中的光弹效应及其对侧向光的限制作用

从理论上计算了厚度为 110 nm的 W0 .95 Ni0 .0 5 金属薄膜应变条在 In Ga As P/ In P双异质结构中形成的应力场分布 ,及由应力场分布引起的折射率变化 .在 W0 .95 Ni0 .0 5 金属薄膜应变条下半导体中 0 .2— 2μm深度范围内 ,由应变引起条形波导轴中央的介电常数 ε相应增加 2 .3× 10 - 1— 2 .2× 10 - 2 (2 μm应变条宽 )和 1.2× 10 - 1— 4.1× 10 - 2(4μm应变条宽 ) .同时 ,测量了由 W0 .95 Ni0 .0 5 金属薄膜应变条所形成的 In Ga As P/ In P双异质结光弹效应波导结构导波的近场光模分布 .从理论计算和实验结果两方面证实了 In Ga As P/ In

VGF法磷化铟单晶炉加热器对炉内热场分布影响的研究

磷化铟(InP)是一种重要的化合物半导体,在通信、航空航天和人工智能等领域具有广泛的应用。InP单晶生长质量的优劣取决于其生长炉内热场的稳定与温控。InP晶体工业生产中广泛采用的垂直梯度凝固(VGF)法是在磷化铟单晶生长炉中构建高温、封闭、稳定及可控的热场,但因炉内缺乏直接观测和完整的参数监测手段,利用计算机数值仿真对炉内晶体生长的温度场进行科学分析,以获取最佳的生长温控条件,俨然成为有效且重要的方法。本文基于ANSYS有限元软件及炉内元件实测参数,建立了InP单晶生长系统热场三维物理和数学模型,基于磷化铟单晶生长过程中的温度离散数据,对所建模型对比和验证,获得了与实际生产温度数据吻合良好的效果(温度偏差控制在3%以内),验证了所建模型的有效性。基于此模型,本文对生产条件下四段加热器温度波动对热场分布影响进行了探讨,并对炉内四段加热器的温度波动对炉内低温区、高温区及料管中心温度影响规律进行了研究,所得结论对揭示工业生产过程中InP单晶炉热场的分布规律及调节方法具有一定的指导意义。

InP中皮秒快速现象

利用测量瞬态反射谱的方法，探索了掺硫、铁、锌以及非掺杂的ＩｎＰ中载流子寿命。观察到非掺杂ＩｎＰ中载流子寿命最长约６０ｐｓ；掺锌Ｉｎｐ中载流子寿命３８Ｐｓ居中；掺硫和掺铁的寿命最短约１ｐｓ。掺硫、铁和锌的ＩｎＰ中载流子寿命下降，是由于掺杂引入了复合中心。这一结果已被喇曼光谱所证实。

基于元素磷源的InP量子点的制备

以白磷作为磷源、醋酸铟为铟源、硬脂酸为表面包覆剂、十八烯为溶剂,采用胶体化学法合成了InP量子点。X射线衍射（XRD）和透射电子显微镜（TEM）分析测试显示InP量子点属于立方闪锌矿结构,并且是直径约为5 nm的球状纳米晶。紫外可见光谱和荧光光谱分析表明,InP量子点表现出明显的激子吸收和带边发射特征,荧光发射光谱在415~517 nm范围内连续可调,呈现明显的量子尺寸效应。

InP的快速大容量注入合成机理分析及多晶制备

对于磷化铟(InP)的合成来说,合成的时间越快、纯度越高,合成熔体的配比度越高、熔体的利用率越高,合成量越大、成本越低。为实现InP的快速大容量合成,分析了注入合成的物理条件、气体传输过程、界面反应机理和注入气泡速率对合成的影响。通过对机理的分析,优化了注入合成条件和冒泡速率,提高了注入合成过程的可控性,在3 h内合成了10 kg高纯InP多晶,通过直拉法进一步提拉生长,最终制备的InP多晶载流子浓度≤2×10^(15)cm^(-3),迁移率>4500 cm^(2)·V^(-1)·s^(-1),为实现大尺寸单晶批量化制备奠定了基础。

液封直拉富铟InP中铟夹杂的纵向和横向分布

采用光学显微镜与红外透射显微镜相结合的方法,研究了磷化铟(InP)晶片中铟夹杂的形貌,通过比较含有铟夹杂的晶体与晶片,总结了铟夹杂在富铟磷化铟中的纵向与横向分布行为,并分析了熔体组分配比度、固液界面形貌以及温度梯度对铟夹杂分布行为的影响。在含有铟夹杂的单晶片中发现铟夹杂的一种特殊环形分布行为,对比和它相邻的晶片,发现这种环形分布呈现出沿生长方向直径逐渐变小的趋势,初步分析与固液界面呈微凸的形貌有关。在这种特殊分布中,发现部分铟夹杂呈四方对称分布。结合磷化铟的晶体结构,分析这种对称分布与固液界面处的{111}晶面有关。

长波长1.3μm InGaAsP/InP外腔主动锁模半导体激光器

利用外腔主动锁模技术,得到了9ps脉宽的1.3μm InGaAsP/InP半导体激光超短脉冲。在外腔中加入法珀标准具后,获得了可调谐变换极限的锁模脉冲。

InP异质结晶体管

提出了准平面构成的InP HBT新结构。用Si离子注入在半绝缘In P:Fe上形成隐埋n型区来代替通常采用的外延n型收集区,可有效降低器件的高度,减小寄生参数,提高器件的可靠性。测量结果表明,晶体管的h_(fe)=100,V_(CE)=3～4V,f_T=10GHz。

InGaAsP单量子阱半导体微盘激光器研究

利用普通的液相外延和微加工技术成功地制备了ＩｎＧａＡｓＰ单量子阱微盘激光器，并从实验上观测到远低于普遍激光器阈值条件下的单模振荡，证实了微盘激光器中微盘很强的模式选择作用，反映了微盘的微腔特征．

毫米波化合物半导体材料研究进展

毫米波集成电路成为毫米波系统应用中必不可少的核心技术,化合物半导体材料砷化镓、磷化铟无疑在毫米波集成电路制造中占据重要地位,继砷化镓、磷化铟占据毫米波芯片衬底材料主流之后,以氮化镓材料为代表的第三代半导体材料逐渐成为目前国际毫米波芯片制造的材料研究热点。本文对以砷化镓、磷化铟、氮化镓为代表的毫米波化合物半导体材料技术及其发展,进行了总结与展望。

实用化1730nm波段掩埋结构半导体激光器的研制

报道了应用于医疗器械的InP基1730nm波段半导体激光器.外延片采用低压金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)生长,有源区为5个周期的InGaAs量子阱层和InGaAsP垒层.器件采用pnpn结限制掩埋结构,有源区脊宽2μm、腔长300μm.室温下腔面镀膜后激光器管芯的阈值电流为18±5mA,8mW输出功率时的工作电流为60±5mA.采用TO封装后,100mA工作电流下激光器的输出功率大于5mW,输出波长为1732±10nm,高温恒流加速老化筛选实验表明,器件具有长期工作的可靠性,满足实用化要求.

Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物快速热退火扩Zn方法研究

以GaAs和InP材料为例,对化合物半导体材料中的快速热退火扩Zn可行性进行比较分析,研究表明,化合物半导体材料中快速热退火扩Zn可行性与化合物半导体材料的分解温度有着密切关系。化合物半导体材料分解温度越低,对扩散源、帽层和阻挡层要求越高。针对InP材料高于360℃就分解、低温Zn扩散困难的特点,提出了直接溅射Zn层在410℃低温扩散的方法。对InP快速热退火扩散结果进行分析,初步分析表明其掺杂机理是形成合金结。

1.3微米铟镓砷磷大光腔半导体激光器

本文介绍了我们研制的1.3微米波长铟镓砷磷大光腔结构半导体激光器的制作及其部分主要光电特性。该器件由于采用大光腔结构,脉冲输出峰值功率大于5瓦,阈值电流密度低于2700A/cm^2工作寿命大于1000小时。