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GaAs基大功率半导体激光器和高亮度发光二极管特性分析

包玲  
【摘要】: 半导体激光器是光电子产业中最重要的组成部分,是继大规模集成电路之 后,信息高技术领域中最有发展前途的产品之一。半导体发光管(LED)则是半 导体光电子显示的核心器件。普通大功率半导体激光器存在着比较严重的发热 问题,特别是腔面灾变性损伤(COD)和大电流工作下的焦耳热,限制了半导体 激光器功率的进一步提高。除此之外,大功率半导体激光器光束质量差、发光 效率较低,也大大影响了半导体激光器的工作特性,限制了半导体激光器的应 用。普通高亮度发光二极管也同样存在着大电流工作下的严重发热问题,同时, 现有提高亮度的关键技术成本高、工艺复杂也是制约高亮度发光二极管亮度进 一步提高的因素之一。 在GaAs基大功率半导体激光器方面,首先较详细地介绍了沈教授提出的 新型多有源区隧道再生量子阱激光器的机理和意义。沈教授提出的新型多有源 区隧道再生量子阱激光器突破了内量子效率≤1的限制,可以在工作电流不变 的情况下成倍地提高激光器的发光效率,因此输出功率的提高并没有显著增加 焦耳热;并且多个独立的有源区通过隧道结耦合可以显著地增大腔面发光面 积,提高了COD水平,改善了远场对称性,提高了模式稳定性。其次对新结 构中的重要组成部分——隧道结的光学、电学、热学特性也进行了较详尽的理 论分析和实验测试,其中重点考虑了将隧道结引入激光器可能产生的影响。然 后对制备出的C掺杂普通单有源区InGaAs量子阱激光器LD8和C掺杂新型双 有源区隧道再生InGaAs量子阱激光器LD11、三有源区隧道再生InGaAs量子 阱激光器LD12、LD13、LD14的光学、电学、热学特性进行了详细的实验测 试和理论分析。我们制备出的100μm脊形微腐蚀结构激光器具有很高的效率, 双有源区、三有源区隧道再生量子阱激光器的内量子效率已经远远超过了1。 从器件的角度验证了沈教授提出的新型多有源区隧道再生量子阱激光器的可行 河北工业大学硕士研究生学位论文 性。将新型多有源区隧道再生量子阶激光器的电学、光学、热学特性与性能良 好的C掺杂普通InGGs单有源区量子阶激光器进行了对比,重点分析了目前 新型多有源区隧道再生量子阶激光器中存在的一些问题。最后简单介绍了激光 器的制备工艺,对工艺中存在的一些问题进行了分析和讨论。在详细分析单有 源区量子阶激光器阈值电流的基础上推导了新型多有源区隧道再生量子阶激光 器中的阈值电流,得到了与实验结果吻合的很好的计算结果。我们设计的深腐 蚀工艺可以得到很低的闽值电流,沟台深腐蚀结构新型三有源区隧道再生量子 阶激光器的阈值电流甚至比微腐蚀结构普通单有源区量子阶激光器的阈值电流 还低。 在GaAs基高亮度发光二极管方面,以目前最亮的AIGalnP高亮度发光二 极管为研究重点,首先对AIGalnP发光二极管的光学、电学、热学特性进行了 分析。通过对影响发光二极管高亮度的若干因素的分析,得到了设计工作所需 的关键参数。然后简单介绍了发光二极管的制备工艺。我们借助美国EMCORE 公司和中科院半导体研究所的先进MOCVD生长条件,自己摸索出了一套适合 于目前实验室条件的工艺制备方法,制备出了轴向发光强度高达3—sod的高亮 度AIGalnP发光二极管。同时对目前工艺中存在的一些问题进行了分析和讨 论。使用实验测试和理论分析手段,得到了工艺稳定的条件,为下一步新型器 件的研究奠定了基础。


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