（材料物理与化学专业论文）mbe生长短周期ingaasgaas超晶格vecsels有源区的结构和退火研究.pdf

内容摘要 内容摘要 本论文“m b e 生长短周期i n g a a s g a a s 超晶格v e c s e l s 有源区的结构和 退火研究”的内容包括：m b e 系统原理与外延材料的表征方法、应变补偿技术 在i n g a a s g a a s 应变量子阱中的应用以及短周期i n g a a s g a a s 超晶格量子阱的 结构性质与退火前后光学性质对比研究等共三个主要部分。本论文主要研究成 果与创新点如下： 1 通过p l 谱测试发现两种补偿方式应变量子阱测量荧光光谱有所不同： 1 ) 双侧补偿样品的发光强度更大；2 ) 单侧补偿有两个中心波长，量子阱质量不 好；3 ) 双侧补偿半高宽更窄。a f m 测试结果同样显示了双侧补偿样品表面平程 度明显好于单侧补偿样品，从而确定了最佳的应变补偿方式。 2 对于总量子阱厚度一定( 8 n m ) 的短周期i n o 3 3 g a o 6 7 a s g a a s 超晶格量子阱 来说，通过改变等厚度的i n o 3 3 g a o 6 7 a s 和g a a s 层周期数( 5 、7 、9 ) 来研究其荧 光光谱的性质，最终确定当周期数为9 时，荧光峰的强度最强，说明此时量子 效率最高；半高宽最窄，可知其界面质量最好。此外随着周期数的增加，荧光 峰位出现红移现象。 3 对样品进行快速热退火，然后测量荧光光谱。发现在特定退火条件下， 荧光峰位不出现明显的移动。当退火条件超越此特定条件，开始出现文献中广 泛记载的蓝移现象。该特定退火条件由退火时间和退火温度共同确定，直接表 现为i n 原子在量子阱中的扩散长度。与此特定退火条件对应的扩散长度称其为 临界扩散长度。对于8 n m 的短周期i n o 3 3 g a o 6 7 a s g a a s 超晶格量子阱临界扩散 长度大约为l n m 。 作为一种有效的改善半导体材料的工艺手段，退火可以部分消除缺陷并且 减小内存应力，但是存在退火时间过长导致荧光峰位蓝移的现象。临界扩散长 度可以提供一个适当的退火时间和退火温度曲线，使得荧光峰位不出现明显的 移动。 火 关键词：i n g a a s g a a s 应变量子阱，应变补偿，短周期超晶格，快速热退 a b s t r a c t ab s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni sf o c u s e do ns t r u c t u r ea n da n n e a l i n gi n v e s t i g a t i o no f i n g a a s g a a ss h o r t p e r i o ds u p e r l a t t i c ea c t i v a t i o nr e g i o ng r o w nb ym b eo f v e c s e l s t h e r ea r et h r e em a i np a r t sh a v eb e e ns t u d i e d ： m b e t e c h n o l o g ya n dt e s t i n gm e t h o d so fe p i t a x i a lm a t e r i a l s ； s t u d yo fe f f e c to fs t r a i nc o m p e n s a t i o no nin g a a s g a a ss t r a i nq w s ； s t r u c t u r ea n d a n n e a l i n gi n v e s t i g a t i o n o fi n g a a s g a a s s h o r t p e r i o d s u p e r l a t t i c e ( s p s ) t h ek e yp o i n t so ft h ed i s s e r t a t i o nc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w ： w ef i n dd i f f e r e n ts t r a i nc o m p e n s a t i o nw i l i i n f l u e n c ep h o t o l u m i n e s c e n c e ( p l ) w a v e l e n g t h ，i n t e n s i t ya n df u l lw i d t ho fh a l fm a x i m u m ( f w hm ) o ft h e q u a n t u mw e l l ：( a ) p li n t e n s i t yo fq u a n t u mw e l lw i t hd o u b l e s i d e c o m p e n s a t i o ni ss t r o n g e r ；( b ) q u a n t u mw e l lw i t hs i n g l e s i d ec o m p e n s a t i o n h a st w oc e n t e rw a v e l e n g t h ；( c ) t h ep ls p e c t r af w h mo fq u a n t u mw e l lw i t h d o u b l e s i d ec o m p e n s a t i o ni sn a r r o w e r a l s ot h er e s u l to fa f ms h o w su st h e q u a n t u mw e l l w i t hd o u b l e s i d ec o m p e n s a t i o nh a sf l a k e rs u r f a c et h a nt h e q u a n t u m w e l lw i t hs i n g l e s i d ec o m p e n s a t i o n f o ri n 0 2 g a 0 胡, s g a a sq ww a f e r so fd i f f e r e n ti n 0 3 3 g a 0 6 7 a s g a a sl a y e r s p e r i o d su n d e rt h es a m et o t a lw e l lw i d t h ( 8n m ) b ya l t e r n a t eg r o w t ho f l n o 3 3 g a o 6 7 a sl a y e ra n dg a a sl a y e ro fe q u a lt h i c k n e s s ，t h ef w h mo ft h e t h r e es a m p l e sd e c r e a s e sa n dt h ep li n t e n s i t yw a ss t r o n g e ra n d s t r o n g e ra s t h en u m b e ro fp e r i o di n c r e a s e s r e ds h i f tw a so b s e w e di no u re x p e r i m e n ta s t h ep e r i o do fi n o 3 3 g a 0 6 7 a s g a a sl a y e r si n c r e a s e s s ot h i ss t r u c t u r er e d u c e d s t r a i ne n e r g ys t o r e di nq w s u c c e s s f u l l y - f o rt h i ss t r u c t u r e ，n oo b v i o u ss h i f to fp lp e a kw a so b s e n ，e da tc e r t a i n c o n d i t i o n sa f t e ra n n e a l i n gp r o c e d u r e w ec r e a t e dam o d e lt oe x p l a i ni t b y d e p i c t i n gt h el na t o m i ci n t e r d i 仟u s i o no ft h es p sq w a n do b t a i n e dt h ev a l u eo f c r i t i c a ld i f f u s i o nl e n g t h ( c d l ) c o r r e s p o n d i n gt oi n c o m p o s i t i o n a lu n i f o r m i m i i a b s t r a c t t h ew h o l ei n t e r d i f f u s i o np r o c e s sw a sd i v i d e dt ot w os t a g e s ：i n s i d e i n t e r d i f f u s i o na n do u t s i d ei n t e r d i f f u s i o n s t a g e1 ：w h e nt h ed i f l u s i o nl e n g t h ( d l ) i ss h o r t e rt h a nc d la f t e ra n n e a l i n g ，p lp e a k sd i dn o tm o v eo b v i o u s l y b e c a u s eo fi na t o m i ci n t e r d i f f u s i o ni n s i d et h es p s s t a g e2 ：w h e nt h ed li s l o n g e rt h a nc d l ，t h ep lp e a k sh a v et h eb l u es h i f te f f e c td u e t ot h ei na t o m i c i n t e r d i f f u i s i o no u t s i d et h es p s t h e r e f o r e ，c d lo f f e r e dt h eu p p e ra n n e a l i n g c o n d i t i o nn o tt oc h a n g et h ep lp e a k w ec o u l dg e tt h eo p t i m u ma n n e a l i n g t e m p e r a t u r ea n dt i m eb yc o m p a r i n gd lw i t hc d l k e yw o r d s ：i n g a a s g a a ss t r a i nq u a n t u mw e l l s ，s t r a i nc o m p e n s a t i o n ， s h o r t - p e r i o ds u p e r l a t t i c e ，r a p i dt h e r m a la n n e a l i n g i i i 南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位获 得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文( 包 括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文， 并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开 的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文 摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向教育部 指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和中国学 术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库， 通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：h 2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩； 提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 2 0年月日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目 姓名 学号答辩日期年月 日 论文类别博士口学历硕士口硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口 院系所专业 联系电话 e m a i l 通信地址( 邮编) ： 。 备注：是否批准为非公开论文 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原刨性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 第一章绪论 第一章绪论 第一节概述 半导体物理是凝聚态物理领域中的一个活跃分支，也是半导体科学技术发 展的重要基础。半导体物理不仅在晶态半导体、非晶态半导体、半导体表面、 半导体超晶格、纳米半导体和有机半导体领域取得了进展，而且它还是一系列 新材料、新结构、新效应、新器件、和新工艺的源泉，促进了半导体科学技术 的发展【1 - 1 3 1 。 1 9 7 0 年，l e s a k i 和r t s u 首先提出了“半导体超晶格”的概念【1 4 1 ，由此揭 开了低维半导体结构与介观物理研究的序幕。不久，分子束外延( m o l e c u l a rb e a m e p i t a x y m b e ) 技术在美国贝尔实验室和i b m 公司研发成功，首次成功研制了组 分型a 1 x g a l x a s g a a s 超晶格，标志着半导体材料的发展进入了人工设计的新时 代。随着高质量半导体薄膜生长技术的发展，人们对薄膜单晶生长过程的控制 已经可以精确到一个原子层，超晶格材料的组分和层厚均可以人为控制，得到 了与体材料不同的光电特征。m b e 技术能够在大衬底面积上制备材料，在层厚、 组分控制方面具有突出优势，必将在现代光电产业中发挥越来越重要的作用。 晶格不匹配的应变异质结是半导体材料领域发展过程的一个里程碑，是半 导体激光器的巨大进步。应变异质结不仅仅拓展了材料体系，更重要的是半导 体激光器的性能得到进一步的提高 1 5 , 1 6 1 ，与传统的晶格匹配的半导体激光器相 比，具有更低的阈值电流【1 7 1 ，更高的微分增益【1 7 a 8 1 ，同时，材料的发光波长在 很大程度上被拓展，并在一定范围内可以通过应变随意调节。 随着半导体超漳层制备工艺的迅速发展，半导体超晶格的各种材料参数已 经逐渐可以置于人工的精密控制之下。以g a a s 基材料为代表的i i i v 族低维半 导体材料由于其禁带宽度大、发光效率高、量子效应明显，得到了广泛重视。 i i i v 族化合物低维半导体材料的m b e 生长代表了当今世界上去最先进的低维 半导体材料的制备水平，其器件应用也具有巨大潜力。因此对i i i v 族化合物量 子阱、量子点材料的研究具有重要的意义。 第一章绪论 1 2 1引言 第二节量子阱激光器的发展概况 回顾半导体电子学的发展，许多重要物理概念的提出，一旦与新材料、新 工艺结合并付诸实现就会出现发展发明创造，并大大推动电子技术的发展的进 程。例如“少子的注入和收集”这一概念同p n 结工艺结合就出现了对信号具有 放大作用的双极晶体管，而且随着以平面工艺为基础的各项工艺技术的改进完 善，集成电路才有了今天的发展。“电流注入引起粒子数反转”的概念与高质量 半导体异质结的成功获得便使半导体激光器取得实用成果。“量子尺寸效应”及 “人为结构超晶格”的概念与超精细薄层材料生长技术( m b e ，m o c v d ) 的结 合又产生了一系列量子阱、超晶格器件，如h e m t ( 高电子迁移率晶体管) 、 s e e d ( 自电光效应器件) 及各种类型的量子阱激光器。同时，使得“能带工程”( 或 称波函数工程) 这一全新物理领域有可能在理论和实验方面进行研究。 在美国i b m 公司的l e s a k i 和r t s u 提出“半导体超晶格”后【1 4 1 ，1 9 7 1 年， 前苏联的k a z a r i n o v 等人研究了超晶格中的共振隧道穿透现象【l9 1 。后来由于 m b e 法能够成功地上长出均匀的极薄的半导体材料，1 9 7 4 年美国贝尔实验室 的d i n g l e 就能测量出超晶格的台阶状光吸收曲线【2 0 1 ，这就表明了量子效应的存 在。很快人们就想到如何利用这一效应，一年后就做出了量子阱激光器。1 9 7 8 年l o 月实现了s q w ( 单量子阱) 和m q w ( 多量子阱) 激光器的室温连续发射。最 低厶= 1 6 6 0 a c m 2 ，外微分量子效率可达8 5 。同时m b e 的设备大有改进， w t t s a n g 提出在外延生长时提高衬底温度的工艺后，使得厶大大降低，达到 与m o c v d 相同的水平( 约l k a c m 2 ) 。由此在1 9 7 9 年w t t s a n g 又提出了用 m b e 生长了1 4 个量子阱的a 1 g a a s 激光器，室温下厶= 2 k a c m 2 。1 9 8 1 年 w t t s a n g 又提出优化量子阱势垒高度和厚度【2 1 1 ，以便注入载流子能够有效克 服阱间势垒的作用而注入阱中，这一措施至今还被使用。他给出的4 个1 2 0 a 量子阱、腔长3 8 0 i - t m 的激光器其厶低到只有2 5 0 a c m 2 。同时，他又对量子阱 激光器进行了优化设计，因为单量子阱的模增益在较低数值下就会饱和，为了 优化性能必须加大腔长以降低腔面损耗，并降低与有源层的掺杂浓度以降低载 流子吸收损耗。他提出了对载流子和光分别限制的梯度折射率波导( g r i n s c h ) 结构。用了这些改进措施后，单量子阱的内部损耗降低到3 c m ，内量子效率接 2 第一章绪论 近9 5 ，1 1 2 5 1 t m 腔长的激光器的厶 洚至i 1 6 0 a c m 2 口2 1 。这两个里程碑性的工 作充分揭示了量子阱激光器的优越性，促进了以后研究工作的进展。应变量子 阱激光器的问世，又使半导体激光器的性能有一个全面的提高，对它的研究应 用进入了新的历史阶段。 1 2 2 应变量子阱材料的发展对激光器性能的改进 在异质结半导体激光器和量子阱半导体激光器的研究初期，人们都是以寻 求晶格常数匹配的材料及完善的工艺为主要目标，这样才能减少晶格失配及由 此引起的应变和位错。随着激光器应用领域的扩展，人们需要很多新的波长， 如9 0 0 n m l l o o n m 波长范围中，9 1 0 n m 的激光器波长与夜视仪的探测器响应曲 线相匹配，并且不会产生红曝；9 4 0 n m 激光器主要用于泵浦y b ：y a g 固体激 光器，从而获得1 0 3 p m 的激光；倍频之后产生5 1 5 n m 激光，可以代替氩离子 激光器；9 8 0 n m 主要用于泵浦掺饵光纤放大器及固体激光器的泵浦源。 晶格不匹配的应变异质结是半导体材料领域发展过程的一个里程碑，是半 导体光电器件的巨大进步。这里所说的应变结构指的是两种材料晶格常数不相 等，失配度不是很大，层厚小于弹性形变的临界厚度，则在平行于界面的方向 上会产生一个统一的平衡晶格常数。这是因为i n g a a s 应变层的引入使原来晶格 的对称性发生变化，在平行结平面的两个方向的晶格常数比原来的要小，因而 受到双轴压应力，在垂直结平面方向，晶格则得到延伸，该晶格对称性的改变 直接导致了能带结构的改变，即轻、重空穴带分开、能带形状也发生改变，这 种能带结构的改变正是人们所期望的十分重要的能带工程，它改变了无应变量 子阱激光器中小的导带态密度与非常大的价带态密度之问较大的不对称性，降 低了价带内的自由载流子吸收和俄歇复合。应变异质结不仅仅拓展了材料体系， 更重要的是半导体激光器性能得到进一步的提高【1 5 , 1 6 j ，与传统的晶格匹配的半 导体激光器相比，具有更低的阈值电流【1 1 7 1 ，更高的特征温度和更大的微分增益 【1 7 ，1 8 】 o 最早报道i n g a a s g a a s 量子阱激光器是在1 9 8 4 年l a i d i g 等人幽j 开始，这 些激光器表现出比较高的闽值电流密度( 1 2 k , 4 c m 2 ) ，通过完善制作工艺很快就 降至j , h = 4 6 5 a c m 21 2 4 j 。自1 9 8 6 年，r m k o l b a s ，n ga n d e r s o n 和 e y a b l o n o w i t c h 等人 2 5 , 2 6 1 同时在理论上预见了应变量子阱的许多优异特性以来； 第一章绪论 在世界范围内掀起了对应变量于阱激光器的研究热潮，发展十分迅速田。川。随 后的几年中，人们对应变量子阱激光器进行了大量的研究，主要集中在应变层 厚度和量子阱光学性质的研究。1 9 9 1 年，b e l l 实验室利用m b e 技术获得了腔 长为1 4 m m ，阈值电流密度达4 5 a c m 2 的应变量子阱激光器【2 6 j 。 i n g a a s 材料除了0 9 1 1 “m 的激光器之外，对波长大于1 1 p m 有更大的需 求，因为用于局域网、城域网、宽带网络高速数据传输的单模光纤要求光源的 波长在1 2 1 m a 以上，因此，对i n g a a s 材料的激光器有必要进行更广泛而深入 的研究。然而，应变的存在对材料生长的影响很大，应变层中应变能的存在，使 每个单层都存在一个临界层厚度，由于应变累积效应，整个应变量子阱结构也 存在一个临界总厚度。量子阱的厚度小于临界厚度时，失配造成的压应力使量 子阱的能带结构发生了很大变化，如带隙变宽，轻重空穴分离，这些都影响激 光器的性能。同时失配造成材料生长困难，应力易引起晶格弛豫，由二维生长 变为三维生长，生长表面的铟原子易迁移形成富铟的“小岛”【34 。，这些“晶核小岛” 的生成过程是应力能在小岛自由边缘处以弹性弛豫减小的结果。高质量的量子 阱要求二维生长，因为三维生长会造成很多缺陷，影响量子阱的发光效率。阻 止三维生长的一般方法有：降低生长温度，增加生长速度，提高v i i i 比p 引。 w e y e r s 的研究组提出生长中断的理论【3 引，生长量子阱的限制层之前在两个异 质界面处分别加入5 1 0 s 的生长中断，c l 谱和p l 谱的结果表明：加入生长中 断后，发光强度变强，发光峰变窄，5 1 0 s 的生长中断可以使量子阱异质界面 变得平滑。i g a 的研究组提出应变缓冲的理论【3 9 】用于生长发射波长大于1 2 1 m a 、 铟组分4 0 左右的i n g a a s g a a s 的量子阱【4 0 , 4 1 】，其理论依据是应力层可以消除 线缺陷，原子力显微镜测试的结果表明应变缓冲层有效地改善了界面处的表面 质量。 对于多周期量子阱的应变能量的积累，中断生长难以实现限制大应变多周 期量子阱的三维生长方式的发生；同时，生长中断可能带来的界面杂质增加， 引入量子阱性能劣化等的不利因素。这些方案远不能满足提高激光器性能而需 要的大应变、多周期等要求，难以制作1 3 3 9 i n 和1 5 5 p m 波长的i n g a a g g a a s 量子阱激光器。为了解决这个问题，人们提出了应变补偿量子阱结构。所谓应 变补偿，是在应变量子阱生长过程中生长张应变层和压应变层来降低净应变， 从而大大提高临界厚度和量子阱结构的稳定性。1 9 9 9 年，m a r kk u z n e t s o v 等人 采用应变补偿技术，制作了具有接近零净应变的十四个周期的应变量子阱的半 4 第一章绪论 导体激光器，充分显示了应变补偿技术对应变量子阱结构的临界厚度和稳定性 的改进1 42 。 目前，人们已经利用i i i v 族材料制作出许多应变补偿量子阱器件，广泛的 应用于光通讯领域【4 3 , 4 4 1 。其中，尤以i n p 基四元i n g a a s p 体系和g a a s 基i n g a a s 体系最为常用1 4 5 1 。但是，由于i n p 材料的高温性能较差，难以满足半导体器件 的大功率、长寿命和特殊环境的高温使用条件的要求。因此，采用g a a s 基 g a a s p i n g a a s g a a s 应力补偿的材料体系可以克服i n p 基材料和g a a s 基含铝 系列材料体系在大功率、长寿命和特殊环境使用条件的缺点，在长波长具有很 大的发展潜力。1 9 9 3 年，gz h a n g 等人【4 6 】第一次报道了采用应变补偿技术的半 导体激光器，通过张应变的g a a s p 对压应变的i n g a a s 的补偿，他们获得了具 有接近零净应变的五层量子阱。他们的结果显示，采用应变补偿技术的半导体 激光器的性能要优于未采用这一技术的相同结构的半导体激光器。1 9 9 6 年，j l o p a t a 等人【4 7 l 用g a a s p 作i n g a a s 阱的应力补偿，用i n g a p 代替a i g a a s 垒层 制备的9 8 0 n m 激光器作为掺e r 光纤放大器的泵浦光源，获得了9 0 的光纤耦 合效率，并显示了在单模和高功率工作下高的稳定性和可靠性。2 0 0 0 年，f - b u g g e 等人【4 8 】用g a a s p 作i n g a a s 阱的应力补偿，用a 1 g a a s 为垒层制备的 1 0 5 0 n m 激光器，具有很低的阈值电流( 厶= 9 3 a c m 2 a t1 1 0 2 n ma n d j 小= 8 5 a c m 2a t1 1 5 2 n m ) 。2 0 0 1 年，n e l s o nt a n s u 等人t 4 9 】用g a a s p 作i n g a a s 阱的应力补偿，用a i g a a s 为垒层制备的l1 6 5 n m 激光器，具有更低的阈值电流 ( 厶= 6 5 a c m 2 ) 。2 0 0 7 年，m a s a k a z ua r a i 等人【5 0 】用g a a s 作i n g a a s 阱的应力 补偿，用i n g a p 为垒层制备了i n g a a s 基无铝应力补偿1 3 l ，t m 激光器，具有较低 的阈值电流( 厶= 3 5 0 a c m 2a t1 2 5 6 n m ) ，但是，i n g a a s 基片衬底难以制备，尚 不具备推广应用的条件。 本文针对i n g a a s g a a s 应变多量子阱进行了以下三个方面研究： 1 ) 在维持量子阱厚度，势垒高度、厚度不变的情况下，采用交替生长不同 周期的短周期超晶格i n o 3 3 g a o 6 7 a s g a a s 量子阱代替i n o 2 g a o 8 a s 阱层的生长， 以及由此带来的对i n g a a s g a a s 应变量子阱光学性质的影响。 2 ) 在快速热退火过程中，i n 组分在量子阱内部扩散对i n g a a s g a a s 应变量 子阱光学性质的影响。 3 ) 不同的应变补偿方式( 比如对称补偿) 对i n g a a s g a a s 应变量子阱光学性 质的影响等。 5 第一章绪论 通过探究以上个方面的改进，将对提高垂直腔面发射半导体激光器的工艺 参数及性能起到推进作用。 第三节多层应变量子阱材料的应用垂直腔表面发射半导体激 光器( v c s e l ) 的研究进展 1 3 1 垂直腔面发射半导体激光器( v c s e l ) 近几十年来，各类半导体激光器的性能在不断提高，但也均存在着缺点， 限制了其进一步发展。传统的半导体二极管激光器技术已经相当成熟，能高效 可靠地产生大功率光束，用衬底晶体的解理面做f p 谐振腔的边发射二极管在 结构优化、制造技术、工作特性、应用领域等方面都取得了巨大进展，但仍然 存在一些不足。如在芯片解理前，不可能进行单个器件的基本性能测试；光束 发散角过大且呈椭圆状；不易形成二维光束阵列；更无法实现单个集成的二维 阵列。垂直腔面发射激光器( v c s e l ) 可以输出理想的圆形光束。 面发射半导体激光器归纳起来有三种基本结构。第一种是利用现有的边发 射半导体激光器的工艺结构，采用4 5 。角倾斜的反射镜，以改变光的出射方向， 如图1 1 ( a ) 所示；第二种是利用高阶光栅将光耦合到垂直输出，见图1 1 ( b ) ；第 三种是利用高反射率的镜面作为有源区两侧的包层形成垂直腔结构，使得形成 的光束垂直于衬底发射，如图1 1 ( c ) 所示。 有 ( a ) 4 5 。镜面型 有 有訾二) 4 布拉格反射器 x 、= ：_ 一j 二 ) 布拉格反射器 ( c ) 垂直腔型 图1 1 面发射激光器j 种基本结构 6 二级光栅 第一章绪论 图1 1 ( a ) 所示的采用4 5 0 角倾斜反射镜结构的面发射激光二极管( s e l d ) ，其 发射特性完全依赖于内部反射镜的倾角和平整度，工艺制作困难，并有光束畸 变等问题。图1 1 ( b ) 所示的采用高阶耦合光栅的s e l d ，尽管可以获得发散角小 的窄细光束，但其发射截面呈条状结构。由于布拉格反射作用，其纵模选择性 很好，可实现动态纵模工作。但其发射光的大部分进入了衬底，使效率大大降 低，而且激光束的发射角度随波长而变化。图1 1 ( c ) 所示的结构是有源区直径及 腔长只有微米量级的微腔结构，容易实现低气( 衅量级) ，具有高的微分量子效 率。该器件具有独特的空间层结构和微笑尺度，使得形成的光束发散角很小， 像散可以忽略的圆形光束，将它与光纤或其他光学器件耦合时，既容易、效率 又高。它同时具有良好的动态单纵模和空间发射模特性。他的发射波长取决于 外延生长，而不是完全由材料和光刻工艺决定，所以比较容易实现发射波长的 准确控制。容易制造面积较大、具有准确的单一波长或相等波长间隔的单片垂 直腔面发射激光器( v c s e l ) 阵列。由于光是垂直于基片向上发射，所以不需要 从芯片上切出单个器件后才能检测，而是可以对芯片内的样管的发光波长或其 他特性进行整体逐个筛选。此外，v c s e l 的侧向尺寸也很小，有可能制造尺寸 较大的高密度单片集成二维阵列。它比较容易与其他电子学和光学器件集成以 实现薄膜功能光学器件的单片集成，开辟新的三维光学领域。 1 3 2 光泵浦垂直外腔面发射激光器( o p s v e c s e l ) 1 3 2 1 引言 垂直腔面发射激光器( v c s e l ) 具有理想的圆形输出光束，但在单横模下工 作很难达到大功率。垂直外腔面发射激光器( v e c s e l ) 【5 i 】有望克服上述缺点，现 在已受到了越来越广泛的关注。 与传统的半导体激光器不同，v e c s e l 激光器具有类似于v c s e l 的增益 结构，再通过与固体激光器相近的外腔结构进行选模输出，可形成圆形高斯 t e m o o 模式的输出光束，克服了固体激光器光束质量不理想的缺点。与v c s e l 相比，v e c s e l 突破了功率限制，单横模输出功率可达几百毫瓦，同时在高效 实现腔内倍频的前提下简化了谐振腔内的结构，从而降低了激光器晶片生长和 加工的难度。 v e c s e l 可采用成熟的大功率半导体激光器做泵源，称为光泵浦垂直外腔 7 第一章绪论 面发射激光器( o p s v e c s e l ) 。与电泵浦激光器相比，o p s v e c s e l 不使用p - n 结或电接触，既降低了串联电阻上的电能损耗，又增加了器件的可靠性。宽泵 浦带宽( 大于4 0 n m ) 和极短的泵浦吸收长度( 约1 2 9 m ) 确保泵浦光的有效吸收， 消除了二极管激光器泵浦的严格波长限制。此外，o p s v e c s e l 使用无掺杂的 半导体材料，降低了由于自由载流子吸收造成的光学损耗。可以说， o p s v e c s e l 结合了二极管泵浦固体激光器和v c s e l 激光器的构造方法，吸 取了二者的优点。 良好的空间光强分布、大的输出功率范围、体积小、光束质量好等突出优 点，使o p s v e c s e l 激光器具有广阔的应用范围，并已在高速激光打印、高密 度光存储、超快激光、激光雷达等方面显示出诱人的前景。本节将就光泵浦垂 直外腔面发射激光器的特性进行介绍，综述目前最新的研究进展。在此基础上， 分析了该类型激光器的发展潜力和技术发展方向。 1 3 2 2 器件原理 图1 2 显示了典型的o p s v e c s e l 结构示意，其核心部分是包含多量子阱 ( m q w ) 增益区和多层分布反馈布拉格反射镜( d b r ) 增益结构的激光谐振腔。为 使模斑尺寸能适应腔内每个工作组件的大小需要，谐振腔可被设计成v 形、z 形或w 形等多种形式。如图1 2 所示，入射泵浦光聚焦至v e c s e l 芯片上，在 高反射率的d b r 镜和外部球面镜之间形成激光振荡，多量子阱提供增益，外镜 控制激光器在单横模下工作。 图1 2o p s v e c s e l 结构 1 3 2 3 不同波长范围与材料体系的v e c s e l 8 第一章绪论 对o p s v e c s e l 而言，激光器工作波长和泵浦波长能根据设计选择。几种 成熟的半导体材料体系，如i n g a a s a i g a a s g a a s t 5 2 j ，i n g a a s i n g a a s p g a a s 垆m 和i n g a a s p i n p 5 4 j ，都可以用来制造彳、= 同波长的激光器。 多数v e c s e l 都是在g a a s 衬底上制作，使用高折射率比值的g a a s a i a s 反射镜，用于近红外方面的应用。这些激光器主要工作在两个波长段：使用晶 格匹配g a a s a 1 g a a s 量子阱的激光器，工作波长为8 5 0 n m 左右【5 5 j ；使用压应 变i n g a a s g a a s 量子阱的激光器，波长在1 0 0 0 n m 附近【5 6 1 。但最近的报道显示， 其他材料体系的v e c s e l 可实现从红外到可见光的不同波长范围的应用。 红光v e c s e l 已有报道，它使用应变l n g a p 量子阱，带有一个a i g a l n p d b r ，以6 6 0 n m 绿光氩离子激光器作为泵浦源，可以输出超过2 0 0 m w 功率的 光束【5 7 1 。紫光输出也由p a r k 等人删实现，他们的器件使用g a n 基材料，带有 一个蓝宝石谐振腔，实际上构成了一个微腔v e c s e l ，该激光器在室温下输出 3 9 1 n m 的激光。 以i n p 为衬底可制造工作波长在1 5 p , m 附近的器件。在这个材料体系里， v e c s e l 遇到了与v c s e l 同样的难题：由于波长较长，d b r 各层的折射率也 会有所降低，要求反射镜厚度更大；并且在这种结构的材料中，吸收和散射不 能忽略，反射镜的总反射率就会受到影响。近年来，生长技术的提高推动了高 反射率和低电子阻抗l n p i n a i g a a sd b r 的发展，利用这种工艺可制造出均匀的 v e c s e l 增益结构，并成功在70 c 温度下连续工作【5 9 1 。总体来说，与g a a s 器 件相比，i n p 器件具有低的特征温度和高的热阻，受到更为严格的热问题限制。 近来，以稀氮四元化合物g a l n n a s 为基础的1 3 1 a m 激光器设计也己得到发展并 成功实现，其1 3 k t m 波长的连续输出功率达0 6 w 邮】。 在长波长范围，c e r u t t i 等人【6 1 1 报道了工作在2 - - - 2 5 岬波段的g a s b 基 v e c s e l 。这种波长的激光器因对c h 4 和c o 等污染物有强烈的吸收峰，在大 气探测方面有较高的应用价值。他们研制的光泵浦v e c s e l 激光器可以在3 5 0 k 温度下连续运转，工作波长为2 3 1 a m ，室温下最大输出功率为7 m w ，特征温度 为7 0 k ，入射泵浦的阈值强度为8 0 0 w c m 2 。 1 3 2 4 大功率o p s v e c s e l 的研究 1 9 9 7 年，k u z n e t s o v 的小组在世界上第一次实现了以二极管激光器泵浦产 生大功率和高质量光束的v e c s e l t ”】，工作波长为9 8 0 n m 。其结构为：在最顶 9 第一章绪论 端使用3 0 对a i o 8 g a o 2 a s g a a s 多层镜面作为反射镜；增益区由a l o o s g a o 9 2 a s 泵浦吸收层，和8 n m 厚的位于光驻波波腹位置的压应变i n o 1 6 g a o 8 4 a s 量子阱组 成( 1 3 对) 。该激光器在t e m il 模式的最大输出功率为0 6 9 w ：与单模光纤耦合， 在1 1 e m 0 0 模式下输出功率为0 3 7 w 。h o l m 等人p 5 j 以a i g a a s g a a s 晶格匹配材 料为基础，研制了工作波长为8 7 0 n m 的v e c s e l 。相对于应变i n g a a s g a a s 系统，这个量子阱结构系统表现出较低的微分增益和特征温度相关性。由一对 极化耦合6 7 0 n m 二极管提供8 5 0 m w 功率的泵浦能量，实现了0 1 5 w 的输出功 率。 a l f o r d 等人【6 2 】提出了将热量从工作区通过d b r 直接释放的技术，有效地提 高了激光器的输出功率。他把一个无镀层的蓝宝石窗口与v e c s e l 增益部分的 前表面相连，蓝宝石起热扩散平板作用。利用该技术，其9 8 5 n m 的i n g a a s g a a s v e c s e l 泵浦区域直径达到5 0 0 1 x m 以上，实现了最大功率为1 6 w 的连续输出。 h a s t i e 等人【5 3 】将热扩散平板技术应用到8 5 0 n m 的g a a s a 1 g a a sv e c s e l ，使用 s i c 代替蓝宝石作为热扩散平板，观察到在t e m o o 模式下的最大输出功率是 0 5 w 。此后的工作中，他们还报道了一台使用8 1 0 n m 波长光纤耦合激光器作为 泵浦源，微片温度维持在2 0 0 c 的i n g a a s g a a sv e c s e l ，获得了功率1 7 w 、 波长9 8 0 n m 的输出光。将微片冷却到0 0 c 后，激光器输出功率增加到2 5 w ， 光斑为圆形对称分布。 最新的研究成果已体现出o p s v e c s e l 达到更高功率的潜力。l u t g e n 等人 1 5 2 1 报道使用一个8 0 8 n m 光纤耦合二极管激光器做为泵浦源的l n g a a s g a a s v e c s e l 工作波长为1 2 m 。由于外延生长的高质量、高精确度、低散射损失和 高有效增益，最大输出功率达到了8 w ，光一光转换总效率达到了4 1 。c h i l l a 等人【6 3 1 使用i n g a a s g a a s 有源区制成波长为9 8 0 n m 的v e c s e l ，它使用3 台光 纤耦合二极管激光器组成列阵，可向增益结构输入7 0 w 的净泵浦能量，泵浦光 的光斑直径在5 0 0 - - 9 0 0 卜t m 之间变化，输出功率达迄今为止最高的3 0 w 。 1 3 2 5o p s v e c s e l 的发展方向与展望 o p s v e c s e l 的研究工作在许多新的方向可以被丰富地拓展，这种激光器 在未来很有可能被广泛地应用于多种用途。而最重要的两个突破点仍然是 v e c s e l 的高性能和小型化。 由于o p s v e c s e l 腔内功率高，腔内倍频会有很高效率。采用多泵浦和增 1 0 第一章绪论 益元件，激光器能达到数瓦的输出功率，同时具有优异的光束质量。使用可调 的外部光栅或微观结构镜，有望实现激光器的可调大功率工作。这样，v e c s e l 无疑会在要求衍射极限光束质量和大功率高效光源方面的应用大受欢迎。进一 步研究饱和吸收装置，将很可能实现锁模o p s v e c s e l 在更大功率量级下工 作。除此之外，o p s v e c s e l 存其