1053 nm InGaAs-GaAs量子阱高速超輻射發(fā)光二極管的制備與性能研究.pdf

1、超輻射發(fā)光二極管(SLD)是一種讓自發(fā)輻射的光子在給定腔體中傳播時受增益增大(以內(nèi)部單程增益為特征)的光發(fā)射器件，其光學(xué)性質(zhì)介于激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)之間，具有光譜寬、相干性弱、功率大、效率高等優(yōu)點，因此，將1053 nm波段SLD應(yīng)用于慣性約束聚變(ICF)等高能激光系統(tǒng)時，可望獲得體積小、受激布里淵散射(SBS)閾值高、光譜輸出穩(wěn)定、調(diào)制方便的種子光源。同時，此波段不易被水吸收與色散，在光學(xué)相干層析技術(shù)(OCT)、光學(xué)

2、傳感與測量等低相干測試領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用前景。
　　1053 nm波段SLD一般采用InGaAs/GaAs量子阱作為有源層。由于In組分高，導(dǎo)致InGaAs/GaAs晶格失配大，InGaAs阱層極易由2D層狀生長轉(zhuǎn)變?yōu)?D島狀生長，嚴(yán)重影響SLD的性能；同時，SLD以自發(fā)輻射發(fā)光為主，載流子壽命偏長，自發(fā)輻射響應(yīng)速度較慢，導(dǎo)致調(diào)制帶寬較低，不能滿足高速器件的需要；此外，為使后續(xù)光信號受到的影響小，希望SLD輸出光譜穩(wěn)定，而SLD

3、輸出的光譜呈高斯分布，峰值輸出波長易受溫度、電流等外部因素影響，因此，還需要研究影響SLD光譜穩(wěn)定性的因素。
　　為此，本文以制備基于大應(yīng)變InGaAs/GaAs量子阱結(jié)構(gòu)的、高速的、輸出光譜穩(wěn)定的1053 nm SLD模塊為目標(biāo)，通過器件結(jié)構(gòu)設(shè)計、量子阱外延材料制備工藝的優(yōu)化、器件制作與封裝等方面的工作，制備了大應(yīng)變In0.34Ga0.66As/GaAs量子阱脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)SLD模塊，并對其發(fā)光性能、光譜穩(wěn)定性、散熱性能、器件可靠性

4、等進(jìn)行了研究，獲得了發(fā)射波長1053.7 nm、調(diào)制帶寬1.7 GHz、管芯輸出6.5 mW的大功率、高速、光譜輸出性能穩(wěn)定的SLD器件，實現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。
　　論文的主要研究內(nèi)容與成果如下：
　　1)為實現(xiàn)1053 nm發(fā)射波長，設(shè)計了量子阱厚度為5.5 nm的In0.34Ga0.66As/GaAs量子阱結(jié)構(gòu)；并基于光場與載流子的限制、晶格匹配、熱導(dǎo)率、電阻率、遷移率及提高電光轉(zhuǎn)換效率等方面的分析，設(shè)計了波導(dǎo)層和包層材料，其

5、中波導(dǎo)層為組分漸變的AlxGa1-xAs(x=0.2~0.5)，厚度為0.2μm；包層材料為Al0.5Ga0.5As，厚度為1.3μm。
　　2)為實現(xiàn)SLD管芯輸出功率7 mW、光譜波紋小于0.2 dB,設(shè)計的脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為：脊寬4μm，剩余包層0.1~0.3μm，發(fā)光區(qū)長大于405μm，彎曲波導(dǎo)吸收區(qū)400μm。
　　3）通過優(yōu)化MOCVD的生長溫度、生長速度、界面生長的中斷時間及應(yīng)變緩沖層，制備了高質(zhì)量的In0.34Ga

6、0.66As/GaAs量子阱。最優(yōu)生長條件為：生長溫度550°C、生長速度8.33?/s、中斷時間3 s，采用In0.1Ga0.9As的應(yīng)變緩沖層可以明顯改善外延層界面質(zhì)量。
　　4）利用MOCVD生長的外延片，制作了寬條FP腔激光器，分析了閾值電流密度、外量子效率與腔長之間的關(guān)系，得出其內(nèi)量子效率和內(nèi)損耗分別為75.8％與4.1 cm-1。
　　5）制作了脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)SLD芯片，分析了發(fā)光區(qū)長度、脊波導(dǎo)腐蝕深度、P面電極面積

7、及n-AlGaAs包層摻雜濃度等因素對調(diào)制帶寬、輸出功率及輸出光譜的影響。綜合考慮調(diào)制帶寬、輸出功率以及光譜特性等因素，確立了器件的最終制備條件：In0.34Ga0.66As/GaAs雙量子阱脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，脊寬4μm，脊深1.5μm，發(fā)光區(qū)長700μm。該條件下研制的SLD器件，在100 mA、25℃下，管芯輸出6.5 mW,單模光纖耦合輸出2.5 mW,發(fā)射波長為1053.7 nm，3 dB光譜半寬24 nm，光譜波紋為0.15 dB，

8、調(diào)制帶寬為1.7 GHz。
　　6）分析了SLD的輸出光譜和輸出功率隨溫度、電流的變化關(guān)系。發(fā)現(xiàn)：SLD的光譜波紋隨溫度的升高，以0.0048 dB/℃線性減??；連續(xù)與脈沖(3 KHz，10μs)100 mA注入電流作用下，SLD模塊波長的溫度漂移系數(shù)分別為0.35 nm/℃和0.36 nm/℃，說明SLD模塊具有良好的散熱特性；輸出波長隨注入電流的漂移系數(shù)為0.033 nm/mA，且對溫度不敏感；SLD模塊的熱阻為47.81 K