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垂直腔面发射激光器的研制及其特性分析

晏长岭  
【摘要】: 垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)以其光束发散角小、圆形光斑易于与 光纤耦合、极短的光学谐振腔易于实现动态单纵模工作、表面出射易于二维列阵 器件的集成以及极低的功率消耗有可能由CMOS电路直接驱动等优势已经成为光计 算、光互连、光学信息处理、光通讯、神经网络等系统的理想光源。与此同时, 随着分子束外延(MBE)和金属有机化学气相沉积(MOCVD)等生长技术的发展, 使VCSEL器件得以飞速提高。特别是分子束外延技术,它在生长VCSEL器件中占 有非常重要的地位。现代的分子束外延生长系统可以保证整个晶片生长的均匀性 在1%以内,这一点对保证大面积2D阵列中单元器件性能的均匀性至关重要。同 时MBE生长系统中的各种外延生长测试系统可以对晶体的生长质量进行在位监控。 本论文首先论述了VCSEL的基本理论,并对VCSEL器件的分子束外延生长进行了 设计、分析和检测。实验中我们首次采用自行设计的新型双激光反射原位监控技 术生长了λ/4Al_(0.2)Ga_(0.8)As/AlAs分布布拉格反射镜(DBR),结果表明生长具有很好的 重复性。在此基础上,由V80H型MBE生长系统实验生长了GaAs/AlGaAs多量子阱 VCSEL器件结构。在器件的制备工艺中,采用质子注入工艺成功地制备了单个VCSEL 器件,并对其伏安(I-V)特性、光谱特性、近场、远场以及光功率等特性进行了 实验测量研究。结果表明:器件的激射波长为836nm-837nm左右;激射的近场花 样均匀、圆形对称光斑、单模激射;远场呈高斯分布、发散角为10°左右;器件的 阈值电流为16mA左右;在1.5倍阈值电流的注入条件下,器件的输出光功率为2mW。 其次,由Y.G.Zhao and J.G.McInerney的瞬间温度响应理论模型,采用格林 函数的方法求解了瞬间热传导方程,对VCSEL器件的瞬间温度响应进行了分析讨 论。分析结果表明器件在最初时间内温度的升高很快,当到2000ns以后温度的升 高趋于平缓,同时有源区的温度升高比衬底的温度高大约15-25℃左右。与此同时 对质子注入型VCSEL器件的增益导引也进行了分析讨论。 与此同时,首次设计出四次质子注入制备VCSEL列阵器件的方法,实现了质 子注入对列阵中单元器件的隔离与单元器件电流限制的分别作用。在四次质子注 中国科学院博十学位论文 摘 要 入制备VCSEL列阵器件的设计中,一方面通过对外延片上DBR反射镜的较浅的质 子注入形成高电阻区域实现对列阵器件中的单元器件之间的隔离,另一方面通过 再次的较深度的可以达到有源区上表面的质子注入形成高电阻区域实现对单元器 件中注入电流的限制作用c在对VCSEL列阵器件的设计中,对单元器件之间的热 相互作用也进行了分析。实验中,出GaAs/AIGaAs量子阶VCSEL外延片通过四次 质子注入工艺制备了IX3、2X2、3X3简单的一维、二维VCSEL列阵器件,并对器 件的特性进厅了测量研究。 最后,首次设计出 AIAs/:GaAs/AIAs二半导体/超晶格型DBR。在这种DBR的结 构设计中省去了以往半导体/半导体型DBR中的组份渐变异质界面结构。实验中山 V80H型 MBE在 n--GaAS(100)衬底上外延生长了这种 DSR反射镜,并测量了此 DBR 的反射谱,结果表明此DBR具有较高的反射率以及较宽的反射带宽。同时,采用 化学湿法腐浊和自行设计的两次钨丝掩膜质子注入的方法在 DBR的上表面形成 15 XIS u m’的台面或正方型电流注入区域,分别对 P型、\型 DSR的串联电阻进行了 实验研究,结果表明,此DBR在保持较高的反射率的同时也具有较小的串联电阻。 最后,我们还对此DBR的串联电阻与温度及搀杂浓度的关系进行了实验研究,结 果表明,此nR的串联电阻随着温度变化不大:在对搀杂浓度的分析中发现搀杂 浓度对DBR串联电阻也有很大的影啊,搀杂浓度越高串联电阻越小。与此同时, 二次钨丝掩膜质子注入法测量串联电阻克服了以往化学湿腐蚀法中腐蚀深度不易 控制及侧面同时被腐蚀等缺点。


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