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中红外波段锑化物激光器、探测器器件与物理研究

张雄  
【摘要】:本学位论文针对中红外波段AlGaAsSb/InGaAsSb多量子阱激光器和InGaAsSb PIN探测器的特点和存在的问题,对激光器和探测器的器件物理、器件工艺、器件性能表征进行了深入系统的研究,取得了如下结果: 采用6带尼k·p模型计算了2μm InGaAsSb/AlGaAsSb应变多量子阱的能带结构,分析了应变量子阱的价带色散关系,在此基础上计算了多量子阱激光器的增益谱,系统研究了应变、阱宽对增益谱的影响,得出提高应变或减小阱宽能提高激光器增益的结论,并对此给出了物理解释。结合材料生长条件,对激光器的有源区进行了优化设计,为激光器的研制打下了基础和提供了理论依据。 对2μm InGaAsSb/AlGaAsSb激光器的波导层进行了研究,应用传递矩阵法和有效折射率法计算了平板波导的光限制因子,结合光场的近场分布和远场分布,进行了加宽波导优化设计,得出0.3-0.5μm的波导层是较合适的选择的结论,应用于激光器材料结构设计与生长。 深入研究和分析了InGaAsSb PIN探测器的暗电流机制和R_0A因子,计算过程考虑了Auger复合、产生复合、表面复合、隧穿复合等机制,重点研究了探测器的表面复合速度的影响。通过计算发现,探测器表面的复合速度S对探测器的暗电流、R_0A因子有着显著的影响。从理论上预计:如果对探测器表面进行钝化处理,降低表面复合速度,则可大大提高探测器的性能。 研究了GaSb材料的腐蚀机理并改进了腐蚀工艺,针对锑化物材料体系的特点,首次发展了中性(NH_4)_2S钝化溶液,比传统的碱性溶液取得了更好的钝化效果。 研究了PECVD低温生长Si_3N_X和剥离等关键工艺过程,改进并确定了有特色的完整的器件工艺流程,为制备高性能的激光器、探测器打下了基础。 自主开发了全息光栅工艺,对光刻胶、显影控制、周期控制,占空比控制等关 键工艺环节进行了研究,在不同材料上成功制备出周期严格可控、深度和占空比可 调的光栅,为研制DFB激光器打下了基础。 成功制备了两种结构的2协m InGaAssb/AIGaAssb激光器。平面结构的激光器能 在室温脉冲下工作,最高激射温度达340K,室温下的阂值电流密度为1 .SKA/clllZ, 在220K到340K之间的特征温度T()为90K。激射谱为多模,波长为2.01“m。脊波 导结构的激光器实现了室温连续工作,最高激射温度达65“C,20oC下闻值电流密度 为557A/c mZ,串联电阻为1 .sn,特征温度为88K,室温下外微分量子效率为32%。 采用困H众s溶液对InGaAssb PIN进行了钝化处理,减小了器件的反向暗电 流,RoA因子得到显著提高。探测器的光电性能得到很大改善,峰值探测率D‘、。由 钝化前的4.SXlogemHZ’理/w提高到钝化后的l.ZXlo’oemHZ’‘Zzw,响应度Rbb‘由钝化 前的37V/W提高到钝化后的256V/W。 首次对硫钝化及其失效机制和抑制途径进行了有特色的研究。利用XPS测试分 析了硫钝化的机制,研究了硫钝化中的成键情况,对钝化的物理化学过程进行了阐 释;利用PECVD低温生长si3N、薄膜的方法大大减缓了光氧化作用,有效阻止表面 再次氧化,防止了硫钝化的退化失效。


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