（凝聚态物理专业论文）面发射激光器的mbe生长及新结构器件研究.pdf

摘要 垂直腔面发射激光器( v c s e l ) 因具有在片测试、与光纤耦合效 率高、调制速率高和功耗低等优点而极有可能成为今后中短程光 网络中晟有竞争优势的光源。8 5 0 h mv c s e l 在短距离的多模光纤网 络中的应用，己经成为近年束激光器研究领域中一个十分活跃的 课题。 本文研究了v c s e l 的却拉格反射器( d b r ) 、量子阱结构对激光 器光电性能的影响，通过对8 5 0 h mv c s e ld b r 的掺杂和对数优化、 以及g a a s a i g a a s 量子阱的增益和发射波长的匹配优化，研制出了 高性能的面分却孔结构8 5 0 n m 氧化限制型v c s e l 。激光器单管最低 阈值电流为1 8 m a ，当驱动电流为2 0 1 1 l a ，驱动电压为2 6 8 v 时，输 出功率为7 9 6 m w ，功率转换效率大约为1 4 8 j ，斜效率大约为 0 4 4 1 3 m w m a 。对于3 3 阵歹u v c s e l 在马i ! ! 动电流为1 8 0 m a ，驱动电压 为2 7 v 时，输出功率为6 2 4 5 r o w ，功率转换效率大约为1 2 8 5 。 关键词：垂直腔面发射激光器白拉格反射器量子阱面分稚孔 a b s t r a c t t h ev e r t i c a l c a v i t ys u r f a c ee m i u i n gl a s e r s ( v c s e l s ) ，w i t hs u p e r a d v a n t a g e ss u c ha sw a f e rl e v e lt e s t i n g ，h i g hc o u p l i n ge f f i c i e n c yt ot h e o p t i c a lf i b e r , h i g hm o d u l a t i o nc a p a b i l i t ya n dl o wc o n s u m p t i o na n ds oo n ， a r et h em o s tp r o m i s i n ga n dc o m p e t i t i v e l i g h ts o u r c e si nt h es h o r ta n d i n t e r m e d i a t e o p t i c a ln e t w o r k s i nt h e s h o r tr a n g e m u l t i p l e m o d ef i b e r n e t w o r k s ，8 5 0 r i mv c s e lh a sb e e ni n v e s t i g a t e dw i d e ly i nt h i sp a p e rw es t u d i e dt h ed i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t o r ( d b r ) a n d q u a n t u mw e l l ( q w ) a c t i v er e g i o no f t h eo p t o e l e c t r o n i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h e v c s e l b yo p t i m i z i n gt h ed e s i g no ft h ed i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t o r ( d b r ) a n dm a t c h i n gb e t w e e nt h eg a i no ft h eg a a s a i g a a sq u a n t u mw e l la n dt h e e m i s s i o nw a v e l e n g t h ，t h eh i g hp e r f o r m a n c e8 5 0 n mo x i d e c o n f i n e dv c s e l w a sf a b r i c a t e d t h el o w e s tt h r e s h o l dc u r r e n t so f8 5 0 n mv c s e lw e r e 1 8 m a w h e nt h ed r i v ec u r r e n ta n dv o l t a g ew e n2 0 m aa n d2 6 8 v r e s p e c t i v e l y t h eo u t p o w e ri s7 9 6 m w p o w e rc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yw e r e 1 4 8 5 t h es l o p ee f f i c i e n c i e sw e r eo 4 4 1 3m w m a a st o3 3a r r a y , w h e nt h ed r i v ec u r r e n ta n dv o l t a g ew e n18 0 m aa n d2 7 vr e s p e c t i v e l y , t h e o u t p o w e ri s6 2 4 5 m wp o w e rc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yw e r e1 2 8 5 k e y w o r d s ：v c s e l ，d i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t o r ( d b r ) ，q u a n t u mw e l l ( q w ) ，c o n f i g u r a t i o no fd i s t r i b u t e dg r o o v ei ns u r f a c e 长春理工大学硕士( 或博士) 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士( 或博士) 学位论文，论文题 目是本人在指导教师的指导下，独立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，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：三4 叫年；月丑日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、 博士学位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有 关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：兰攀驯年 月驰日 指导导师签名吒冬斟年 月弘日 l 第一章绪论 1 1 引言 1 9 6 1 年，i j i f 苏联巴索夫( n i k o l a ig b a s o v ) 、美国博纳德 ( m g b e m a r d ) 和杜恩克( dd u m k e ) 给出半导体中实现受激发射的必要 条件：准费米能级差大于发射光子的能量。1 9 6 2 年，美国霍耳( r n h a l l ) 、 奈斯恩州l ，n a t h a n ) 平f l 霍洛尼亚克 n h o l o n y a k ) 成功研制出第一个半 导体g a a s 同质结激光器二极管。1 9 6 3 年，美国的克罗默( h k r o e l l l e r ) 提出把一个窄带隙的半导体材料央在两个宽带隙半导体材料之i b j ，形成 异质结构。1 9 6 8 年和1 9 6 9 年，前苏联的阿尔费洛夫( z h i a i f e r o v ) 先 后研制了以g a a s 为光增益介质的g a a s a i g a a s 单异质结构和双异质结 构激光器。此后，各式各样的激光器得到迅速发展，有分布反馈( d f b ： d i s t r i b u t e df e e d b a c k ) 半导体激光器、分御却拉格反射式( d b r ： d i s t r i b u t e d b r a g g r e f l e c t o r ) 半导体激光器和量子阱( q w ：q u a n t u m w e l l ) 半导体激光器。 上面提到的激光器具有共同的结构特点。即管芯中存在一个波导区 域，用柬引导光波沿谐振腔方向传播。这种器件结构的谐振腔的反射镜 是出晶体的自然解理面构成，激光从谐振腔的一个反射镜直接出射，即 输出方向与结平面平行。器件的典型结构如图1 ，1 所示，统称为边发射 激光器( e d g ee m i t t i n gl a s e r ，简称e e l ) 。 从边发射激光器的出光模式方面柬看。这种器件的横向和侧向模式 与器件结构中增益区的剖面有着直接的关系。横向方向，为了降低器件 闽值，实现很好的载流子限制，各种形式结构的条形器件使增益区的横 向很窄，同时，为了输出光功率的需要，侧向又较宽，其结果就形成了 器件的长椭圆型近场和远场分布。横向发散角高达5 0 。，侧向发散角 在1 0 。以上。这就使输出的光束有很大的象散，不能很好地与光纤的 圆形截面相匹配，给光稻合的设计和制作带柬了很大的困难。同时，在 传统器件的制作过程中，对激光器的芯片的电、光等的测试都必须在器 件制作完之后彳可进行，而且其反射镜也需要通过解理等方法来获得， 这就给制作带来一些不便。其次，出于谐振腔的两个反射镜通过人工解 理完成，因此，其光学腔一般很长( 1 0 2 lo j 九) ，使得腔内多纵模同时存 在，易于多模激射，因此常会产生跳模现象。尽管这一问题可以通过各 种特殊的器件结构加以选模，如分白反馈结构( d f b ) ，这势必会增加 器件制作的复杂程度。最后在器件的阵列集成方面，由于传统器件的 光从端面出射，与穸卜延方向垂直，因此器件须放在一侧，这就限制了器 件的平面集成，阵列器件被限制在一维集成，即使可以以二维堆积式集 成。其阵列器件的热效应对器件性能的影响也相当严重，得不到很好的 阵列效果。 半导体激光器作为主要的信息光源，在光通信和光交换系统中起着 重要的作用。然而传统的边发射激光器由于其固有结构的限制，很难实 现高密度的二维阵列及其光电集成，因而越柬越难以满足大规模并行高 速光互连、光交换等需要。同时较大的光束发散角与不对称的光束远场 分御使得激光器与光纤耦合效率非常低对于二维化的光电子集成 o e i c 与光子集成p i c 极为困难。 随着上世纪七十年代以来半导体光电子器件在设计原理和工艺技 术上的不断突破和创新，一种新型的半导体激光器垂直腔面发射激 光器( v e r t i c a lc a v i t ys u r f a c ee m i a i n gl a s e r s ，简称v c s e l ) 应运而生， 如图1 2 所示。 | 鳘| i 1 边发射激光器( e e l )幽1 2 币百胂面发射激光器( v c s e l ) 1 2 垂直腔面发射半导体激光器的研究进展及应用 1 2 1 面发射半导体激光器的发展概述 所谓面发射半导体激光器( s e l ：s u r f a c ee m i t t i n gl a s e r ) ，就是从 半导体衬底垂直方向发出光束的新型激光器。最初实现从表面出射有两 种方法，一种是通过微加工技术在有源层的一端制成4 5 。反射面镜， 反射光从表面输出，通过控制该面镜的反射率来控制激光振荡强度，如 图1 3 ( a ) 所示；或在原柬的边发射的器件结构的基础上，采取御拉格 光栅从有源区耦合出激光如图1 3 ( b ) 所示。这类结构只是简单的变半 导体激光器的端面输出为表面输出，很难得到无像散的高质量光束；由 于受腔长的限制，不可能从表面得到输出功率一致的二维阵列激光源。 况且，御拉格光栅反剩光束的方向随波长变化，而4 59 反射面镜结构 输出光束质量取决于该镜的位冒、方向和平整度。由于受腔长限制也难 2 以获得二维阵列，因此这类结构的表面发刳激光器很难获得实际应用价 值。另一种方法是旋转光学谐振腔9 0 。，与外延方向一致，这样一束， 谐振腔的方向与器件的方向垂直，这就构成了垂直腔面发射器件设计的 雏形。 有翌彻壁 ( 丑l ( b j ( a ) 4 5 。镜面础；( b ) 光栅耦合犁 削1 3早期的面发射激光器 垂直共振腔表面发射激光器( v e r t i c a l c a v i t ys u r f a c e e m i t t i n g l a s e r s ) ，简称垂直腔面发射激光器( v c s e l ) ，在半导体激光器历史中发 展虽较晚，但其研究也超过2 0 年以上，1 9 7 7 年同本东京工业大学的伊 贺教授首先提出面射式激光的概念，并于1 9 7 9 年使用液相外延技术 ( l p e ) 实现i n o a a s i n p 材料的v c s e l 在液氮温度7 7 k 下脉冲激射， 闽值电流9 0 0 m a l 2j 。而室温脉冲激射激光器至1 9 8 4 年d 出炉f j j ，也是 伊贺实验室做出的a i g a a s g a a s 面射型激光器，自此面射型激光器发 展j 打丌了新的纪元。此后，v c s e l 的潜力a 得到人们的广泛认识， 进而发展十分迅速。1 9 8 8 年实现了波长为9 8 0 n mg a a s n g a a s 系列的 v c s e l 室温连续工作h i ，1 9 9 3 年实现了1 3 1 0 n m 的i n g a a s p l n pv c s e l 的室温连续工作1 5 1 ，同年夏天实现了6 7 0 h m 室温连续激射。1 9 9 4 年实 现了1 5 5 0 n m 的i n g a a s p i n p 的v c s e l 的室温连续工作坤j ，同年，蓝绿 光的垂直腔面发射激光器也已经引起人们的注意。1 9 9 9 年，只本东京 大学和德国维尔兹堡大学的研究人员同时报道了室温下从光泵浦 i n g a n 垂直腔面发射激光器二维阵列中获得蓝光发射( 3 9 9 n m 波长) 。这 种器件的阵列可望大大降低高密度光学存储器的读出时问。而在同一 年，桑通亚国家实验室利用反传导祸合，研究制作了发射8 6 8 n m 波长 的两个强烈祸合锁相阵列垂直腔面发射激光器( 具有同相发射) ，这一发 展为以不同行丁射极限光束质量的高功率垂盲腔面发射激光器为基础的 发射器铺平了道路。2 0 0 0 年，圣巴巴拉加州大学研究小组发展了第一 个室温运转、输出波长为1 5 5 0 n m 的电抽运，全晶格匹配、砷锑化合物 单块垂直腔面发射激光器，室温下闽值电流为7 m a ，高温时( 4 5 ) 阂值 电流1 5 5 m a 。在未柬的几年罩，随着宽带隙材料( 如g a n ，z n s e ) 的研 究，垂直腔面发射激光器将会得到很大的发展。 1 2 2 垂直腔面发射半导体激光器的研究进展 近年来，由于v c s e l 在信息领域有着十分重要的用途和异常广阔 的市场，所以v c s e l 器件的发展同新月异，突飞猛进，取得了很多卓 有成绩的进展。下面分别讨论各类v c s e l 的研究进展情况： 1 g a a s a i g a a s 系列v c s e l 激射波长为8 5 0 r i mg a a s a 1 g a a s 是最先实现室温连续工作的垂直 腔面发射激光器，它的研究进展较快，出于g a a s 和a 1 g a a s 材料的外 延生长和器件制备己趋成熟。尤其近年来a l a s 氧化工艺条件的逐步成 熟，制成了高性能室温连续工作的g a a s a 1 g a a sv c s e l 。a l a s 氧化后 形成的化学性质稳定的氧化层是良好的电绝缘材料用它可以方便地形 成大小可控的电流注入窗口，而且在有源区上下形成的氧化层的折射率 比g a a s a i g a a s 小很多，在光腔水平方向形成强折射率波导，增强了 对光的限制作用。这些优点使g a a s 的v c s e l 性能得到很大提高。 2 i n g a a s g a a s 系列v c s e l 激射波长为9 8 0 n m 的应变量子阱v c s e l 最有希望实现极低阙值、 极低功耗工作。l n g a a s g a a s 量子阱的应变效应，导致能带结构发生变 化，轻重空穴带分裂，从而使激光器具有许多优异性能，如微分量子效 率提高，并有较高的张弛振荡频率等。此外，通过对i n 组分和阱宽的 调节，可以将激光器的激射波长拓宽至8 8 0 n m 1 1 0 0 n m 范围。由于外延 层应变促使价带的不连续性增大，俄歇复合减少，使得器件的工作温度 可以高达1 8 0 ，并且有阈值低、谱线窄、偏振比高、可调谐、衬底对 激射波长透明等优点。 3 ，长波长v c s e l 用于长距离光纤通讯的长波长v c s e l 仍然处于研制阶段，1 3 p _ m 及1 5 1 a m 波长v c s e l 是光并行处理、光识别系统及光互联系统中的关 键器件，极具市场潜力。但由于采用i n g a a s i n p 材料的长波长v c s e l 不易获得高反射率的d b r 镜面( i n g a a s i n p 提供的折射率差只有0 2 加f 3 ) 及存在载流子泄漏等问题，因为所制作的器件输出功率较低、阚值电流 较高，研究进展相对缓慢。为了获得- 岛反射率镜层，k s t r e u b l e 等人早 在1 9 9 6 年就对使用l n p 空气隙( 二者的折射率差大于2 ) 作为d b r 的 光泵浦器件进行了尝试。在2 0 0 2 年a g i l e n t 公司的研究人员报道实现了 这种结构的电泵浦器件。在另一方面，通过采用新材料和新工艺，特别 是发展出g a a s 基d b r 和i n p 基增益材料之i 日j 的熔合技术，也使得长 波长v c s e l 的研制获得突破：另外调整g a l n n a s g a a s 中i n 和n 的含 量，可以得到与g a a s 晶格匹配的直接带隙材料或应变量子阱材料，其 波长范围覆盖1 0 1 a m 2 0 p _ m ，同利g a l n n a s g a a s 有着很好的电子限制 能力并具有高温度特性，可直接将d b r 和活性层长于g a a s 基板上， 可以预见g a l n n a s 是一种潜在的可取代i n p 系用于长波长v c s e l 的材 料。2 0 0 3 年，美国加利福尼亚大学首次把非平面融合技术用于长波长 二维w d m 的v c s e l 中。这些器件在1 5 3 2 一1 5 6 5 n m 波长范围内具有 高质量的单模发射f l 。今后如何提高长波长v c s e l 的输出光功率仍然 是将来一段时i 日j 所需要关注的主要课题。 4 红色a i g a l n p g a a s 系列v c s e l 短波长v c s e l 的应用前景也十分广阔。以光存储为目标的应用中， 光盘( c d ) 读写用的0 7 8 p m 带的器件及红色的a i g a l n p g a a s 系列 v c s e l 的研究丌发也在进展之中。 5 蓝色g a l n n g a n 系列v c s e l g a n 系列作为从紫外到绿色宽短波长段的半导体材料，其研究活动 已十分活跃。但此波长的面发射激光器的研究始于1 9 9 7 年，此后反射 镜的构成、p 掺杂、腐蚀等工艺技术取得了不少进展。采用氮化物的紫 外一蓝色波段的面发射激光器因其发射波长较短和其它材料的面发射 激光器相比在制作上存在许多阀题。但一旦g a n 系列面发射激光器被 实现，那么它将在高密度光记录、全色显示器、激光打印机、光造型等 许多领域中发挥更大的潜力。1 9 9 8 年，在7 7 k 温度下完成了用g a l n n g a n 和反射镜制作的光激励面发射激光器的实验忙j 。 1 2 3v c s e l 的应用 垂直腔面发射激光器因具有沿垂直方向( 外延片生长方向) 的谐振 腔而避丌了边发剜激光器存在的问题，具有很多优点，可以归结为以下 几个方面： ( 1 ) 闽值电流极低，最低可以达到1u a 左右i ( 2 ) 由于谐振腔的长度为波长量级，动态单纵模特性比较好； ( 3 ) 驰豫振荡频率高，调制带宽较宽； ( 4 ) 电光转换效率可以大于5 0 ； ( 5 ) 光束发散角小，并与衬底方向垂直，光斑成圆形； ( 6 ) 易于与光纤祸合： ( 7 ) 可以采用集成电路的平面工艺制作，利于大批量生产； ( 8 ) 进行整片测试，降低成本； ( 9 ) 焊接与封装都比较容易，模块与组件的价格便宜： ( 1 0 ) 方便做成密集排列的二维激光器阵列。 由于v c s e l 具有如此多的优异特性，使得这种器件对多种应用颇 具诱惑力。如在数掘通讯、数掘存储、传感器、印刷行业的应用中受到 极大的重视1 9 。 8 5 0 n m 的v c s e l 现在已经被广泛地应用于短距离通信和光互联系 统中。在传统的短距离通信系统中，多模光纤是主要的传输介质，多模 光纤具有制造容易，成本较低等特点，但它的传输距离有限，一般只能 达到2 3 公罩的范围。8 5 0 n m 的v c s e l 下是应这一需求而出现的，由 于v c s e l 的发散角小，出射光束为圆形光束，便于和光纤耦合，其制 造成本较传统的d f b 半导体激光器要低，因此在这一领域v c s e l 备受 关注。同时o e i c 技术也需要近红外的v c s e l 给与支持。 长波长v c s e l 在远距离通信领域具有潜在的应用价值。目i j i 通信 干线上广泛使用的单模光纤所使用的光源就是长波长的边发射半导体 激光器，波长为1 3 1 t m 和1 5 5 1 t m j 。但这种激光器制作困难，与光纤 耦合的效率较低。如采用v c s e l ，则不但可以提高与光纤的耦合效率， 还可以降低成本，简化工艺。特别是在1 3 p mv c s e l 的研究方面，已 取得了飞速的发展。 短波长v c s e l 的应用前景也是十分广泛的。近年来，人们为了提 高光存储密度花费了很大的精力。光存储密度与所使用的光波的波长成 反比，所使用的光的波长越短，光存储密度越大，传统的c d 光盘其 使用的光源为7 3 5 n m 左右的红光光源，其单片光盘存储6 4 0 m b 数据， 后来发展到d v d 光盘技术，使用的光源是6 5 0 n m 左右的红光光源，使 其革片光盘存储上升到了4 7 g b 数掘，最近r 本的s o n y 公司又提出了 一种新的技术，使得单片光盘存储超过了2 0 g b ，他们所使用的光源是 最新丌发的4 0 5 n m 左右的蓝绿色半导体激光器。如果采用短波长 v c s e l 柬制作光存储器件，不但可以提高光耦合效率，同时还可以缩 小设备的体积。 此外，v c s e l 阵列具有巨大的应用前景，是众多研究者目i j 关注 的一个热点问题i i “。特别值得指出的是在军事应用中，采用v c s e l 阵 列器件，取代传统的边发射半导体激光器阵列器件泵浦固体激光器，具 有特别诱人的前景。由于它们具有均匀的远场特性、基横模工作，有利 于提高泵浦效率和泵浦的均匀性。这将成为发展高效率、高功率固体激 光器的一种有效途径。例如用峰值波长为8 0 8 n m 的v c s e l 阵列，适合 于泵浦n d ：y a g 和n d ：y v 0 4 固体激光器i i i 。文献f 1 4 1 报道了采用氧 化物限制垂直腔面发射激光器泵浦一个n d ：y v 0 4 微芯激光器，以 8 2 m w 的泵浦功率获得了1 2 m w 的最大输出功率。 1 3 本论文的研究目的和主要工作 本论文的研究目的是制作8 5 0 n m 面分白孔结构垂直腔面发射半导 6 体激光器。 本论文的主要工作大致分为以下几部分： ( 一) 论述了垂直腔面发射激光器( v c s e l ) 的结构、研究发展，对面 发射激光器的应用做了概述和展望。 ( 二) 针对波长为8 5 0 r i m 的乖直腔面发射激光器( v c s e l ) 的分白 卸拉格反射镜和量子阱进行了详细的优化设计 ( 三) 针对优化参数对我们的激光器结构进行材料生长 ( 四) 面分布孔结构垂直腔面发射半导体激光器( v c s e l ) 的制作与 测试通过对新结构的研究，提高转换效率，探索获取高功率、高效率 的新途径。 第二章垂直腔面发射激光器中布拉格反射器的设计 v c s e l 的增益长度仅为几个量子阱厚度，光在1 x 腔中的来回增 益约为1 ，而腔长仅为l u r e 左右，端面损耗高，要达到阈值增益条件， 却拉格反射器的反射率需要大于9 9 | i ”，高的反射率使d b r 需要较多 的对数( 2 0 4 0 对) 。在v c s e l 中，热的产生主要有以下两个过程：载流子 在d b r 中迁移雨产生的焦耳热；载流子在有源区的非辐射复合热。对于 g a a s a i g a a sq w ，非辐射复合系数远低于长波长q w 的非辐射复合系 数，非辐射复合热并不是主要的热源。焦耳热与电流的平方成比例，焦 耳热是v c s e l 中最主要的热源。由于电子的有效质量较空穴小，以及 电流流过n d b r 的面积是流过p d b r 面积的7 0 倍，n d b r 的压降和 焦耳热可以忽略，因此，焦耳热主要来自于p d b r 。p d b r 高低折射 率界面之问的势垒会增加v c s e l 的压降和电阻，厚的d b r 也会增加 激光器的热阻。虽然通过掺杂能降低p - d b r 的电阻，但是，特别在有 源层附近的场强最高处，较高的掺杂浓度会增加列光场的吸收而降低 p ，d b r 反射率，因此，d b r 的设计实际上是在电特性和反射率之间进 行优化，其性能优劣将严重影响v c s e l 的性能本章先对如何降低 p - d b r 的压降和电阻作了优化，最后对8 5 0 n m v c s e l 的d b r 进行设计。 2 1p - d b r 的设计与优化 对于仅由高低折射率材料交替生长的p d b r ，如g a a s a i a sd b r i 旨o 一 莪 ；a j o垂 o “p i | 幽2 t 四种p - d b r 高a 1 年l i 低a i 层之阅组分的变化 的异质结界面之问具有较高的势垒而不利于空穴的迁移，会带来高压降 和高串联电阻，热效应非常严重，因此，有必要对d b r 的设计进行优 化。目i j ，能大幅度降低d b r 的压降和串联电阻的的方法主要有三种 ”州：( 1 ) 界面附近6 高掺杂以增大隧道效应；( 2 ) 采用超品格结构以增大 隧道效应，如图2 1 中( d ) ：( 3 ) 界面组分渐变使界面附近的能带变得更扁 平从而减小势垒，如图2 1 中( a ) f f d ( b ) ：( a ) 是组分采用抛物线渐变，( b 1 是组分进行线性渐变，( c ) 在高a 1 和低a l 层之间插入单一组分层；对 于采用图2 1 中的四种组分变化的p d b r ，电阻大小的顺序是： r a r b r d e c n ，h = i ，e e c n ，h = 0 。量子阱的这 种台阶状的态密度函数导致了一系列与体材料不同的光学性质，如较低 的透明载流子浓度，高微分增益等。 能量简并的重空穴( h h ) 、轻空穴( l h ) 予带和分裂带( s o ) 的波函数发 生交叠而产生“价带混合”效应，此时，空穴的质量是波矢的函数，因 此，空穴能量沿结平面方向波矢的变化不再表示为( 3 5 ) 式。当势阱层材 料和势垒层材料由于品格不匹配时形成应变量子阱，应变会减小重空穴 带和轻空穴子带之日j 的“价带混合”效应，结平面内在k = 0 点的附近， h h ，l h 在x y 平面内的有效质量分别表示为：m h h t = m d ( yi + y2 ) ， m l h t = m o ( yi y2 ) 在生长方向上，h h 和l h 的有效质量表示为：m h h t = m o ( y 1 2y2 ) ，m l h l = m e ( y 1 y2 ) 。y i 和y2 为“l u t t i n g e r ”常数，m o 为电子 静止质量。 。 3 1 2 量子阱的增益 通过求解含时日j 的薛定谔方程可得到在光子h u 作用下载流子由一 高能级跃迂到一低能级的跃迁速串；动带守衡下载流予的跃迁过程须满 足“k ”选择定理，在忽略载流子之间的相互作用情况下，单量子阱的 增益表示为j 二j ： g “街，= c 。荔l z 焉1 2f d e , p a zx 毛萋轰宅 ； i 薯；j 毳 掣t s 9 ， c 0 ；生一 ”，c 占。珊i p ；”= 击棚l 圪= e 柳。0 k 。，0 ) 佤) 2 瓦丽i 百币1 瓦再而 r 旧) 2 鬲词i 币忑1 面确 ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) 砩忙，) _ 最+ 扩e 。+ 尝 ( 3 1 5 ) z m 式( 3 9 3 1 5 ) e e ，能量从价带顶量起；l z 为阱宽，r 为洛沦兹半宽， e 为电子电荷，n r 为阱层相对折射率，c 为真空中光速，eo 为真空介电 常数，k b 为玻尔兹曼常数，t 为温度；m ，为电子和空穴的约束质量 m r - l = m e - 1 + m h ；o n ( z ) 和g m ( z ) 分别为电子和空穴沿生长方向的波函数； pr 2 d 为量子阱二维念密度；f c 和f v 为电子和空穴的准费米能级，对于 注入电子和空穴浓度分别为n 和p 的s qw ，f c 和f v 可按式( 3 1 6 ) 和 ( 3 1 7 ) 确定： = 型m l 蟹l l n 0 + 抄k m 7 ) ( 3 1 6 ) 尸= m 硼h k ：n t ：l n m 训巾) ( 3 1 7 ) m 为动量矩阵元。t e 模和t m 摸偏振下，m 表示为： m = 3 4 ( 1 + c o s2 口m ；aat e ：c 一朋 ( 5 4 3 4 c o s 2o ) m ；at e ：c 一工日 3 2 x s i n2 口m ：a a a at m ：c h h 1 2 1 + 3 c o s 2 口) 彳；人人t m ：c 一三何 ( 3 1 8 ) 其中，c 0 $ 20 表示为4 2 l ： c o s 2 弛霸e 蒜e h 科r l - 两( 2 m啪+ i。 +后?，) m b 2 表示为 1 】： 峥z 睁t 隧6 ( e 。+ 阶2 3 a 的) l m 。 为自旋耦合裂矩。 3 1 3 量子阱带隙收缩效应 ( 3 1 9 ) ( 3 2 0 ) 一般采用光泵浦的方法测定q w 的光荧光谱( p l ) 束获得q w 中电子 一空穴子带问的跃迂能。光泵浦时，量子阱中价带中的电子被激发到导 带中子能级，激发的电子不稳定又重新跃迂回价带，该过程不存在外来 载流子的注入，因此，激发的电子浓度取决于量子阱的本征载流子浓度。 对于g a a s ，3 0 0 k 下本征载流子浓度约为2 1 0 6 c m - 3 ，量子阱在如此低 的载流子浓度下不足以产生光的增益，因此，光荧光谱更多的是反应了 量子阱中的电子一空穴的子能级1 日j 跃迁能情况。实际上，激光器在一定 的电流偏冒下工作，要形成稳定的激射，量子阱增益必须满足阈值增益 条件，注入载流子浓度需高于透明载流子浓度。高注入载流子浓度时， 电子之| 日j 、空穴之间的库仑互斥以及电子与空穴之丑j 的库仑吸引作用会 使跃迁能减小，该效应称为“带隙重诈化”( b a n d g a p r e n o r m a l i z a t i o n ( b g r ) 1 ”效应i ”1 1 2 2 - 2 4 1 。b g r 效应下，量子阱跃迁能减小 导致增益谱向长波长方向漂移。由b g r 导致的跃迁能的减小由e 。h 和a e s x 组成，a e c x 为由空穴库仑作用导致的跃迁能减小，近似表示 为吲： a e 。h = - 2 e l 。a 0 2 , i n ( + ( 3 2 1 ) 式( 3 2 1 ) 中，n 2 d 为体载流子浓度，n 2 d = n x l z ；e r 为“r y d b e r g ” 常数，a 0 为激子“b o h r 半径，分别表示为： 4 m 2 岛岛 a o2 _ = 2 = p 。朋“ ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) b 为阱的相对介电常数。m 。为量子阱平面内电子和空穴约束质量。 。2 表示为： 麓= 焘莩k c 五( 毛) 吒+ 豫j 伍v ) 强，】 ( 3 2 4 ) 其中，f d e q ) 和f v ( h ) 分别为电子和空穴的f e r m i c d i r a c 分布( 3 1 3 ，3 1 4 ) ； d n j 为有效阱宽，n = c ，v 表示为： 矿”2 赢 另一个导致跃迁能的减小是由于电子一空穴等离子体之日j 的交换作用引 起的，表示为： 2 2 1 1 + 生丛 一半弘箍阮础地 z s ， 九。毫刑2 | 。 b g r 效应下，电子和空穴带跃迁能减d , y g i m 牌j ： e ；：j 咄? 、= e 。+ e e ，一e 。j + ! ；蔓- + e t ? h + e s x 3 。2 7 、 3 28 5 0 h mg a a s ai ，g a 。a s 量子阱增益 3 0 0 k 下g a a s 体材利的禁带宽度为1 4 2 4 e v ，对应带隙波长为 8 7 1 n m ，基本上在8 5 0 n m 附近，因此，设计8 5 0 n mg a a s a 1 、g a l x a sq w 仅需要调节x 值、阱宽和垒宽，从而使m q w 的增益峰值在设计值附近。 由于a l 和g a 的原子半径仅相差0 1 2 ，可以忽略应变对能带的影响。 对于a i 。g a f 。a s ，3 0 0 k 下部分材料参数为( 0 x 0 4 5 ) ： = ( o 0 6 6 5 + 0 0 8 3 5 xm o ( 3 2 8 ) m m = ( o 3 4 + 0 4 2 xm o ( 3 2 9 ) t g ) = 1 4 2 7 + l ，2 4 7 x ( e v ) a e , = o 6 7 a e 。 ( 3 3 0 ) ( 3 3 1 ) 在v c s e l 的1 腔长中，多量子阱层两边是厚度约为入2 的空删 层，空间层有两个方面的作用，一是使多量子阱层与驻波场的波峰对齐， 提高纵向光场限制因子：二是在生长的方向上形成光波导，因此，空间 层的折射率需要低于垒层折射率，同时高于a l o9 g a o l a s 层折射率， a 1 。g a l _ x a s 空间层的a l 含量需要介于垒层的a l 含量和0 9 之| b j 。基于 以上考虑，将垒层选择为a l o3 g a 07 a s 。 3 0 0 k 下，阱宽分别为6 n m 、7 n m 、8 n m 和9 n m 的g a a s a l o3 g a a s 的单量子阱的单粒子理论增益谱分别如图3 2 中a 、b 、c 、d 所示。注入 载流予浓度为3 1 0 ”8 x 1 0 婚c m 一a n ：= 1 1 0 ”c m ，计算时取洛沦兹 半宽为3 0 m e v 。图3 2 表明，随着注入载流子浓度的增加，增益峰值逐 渐向短波长方向移动，这是因为随着注入载流子浓度的增加，高能级的 电子和空穴予带填充浓度增加，对应增益峰值能量增加。阱宽为6 n m 、 7 n m 、8 n m 、9 n m 的s q w 的峰值增益分别在8 1 0 - 8 2 5 n m ，8 2 0 8 3 6 n m ， 8 2 8 - 8 3 8 n m ，8 3 5 8 4 5 n m 范围内。 暑 i i 产 重 量 喜 产 | t i ， 亘 主 意 ， 幽3 2g a a s a i o3 g a o7 a ss o w 的珲论计算增嵛谱 图3 3 是理论计算的不同阱宽g a a s a l o3 g a 07 a ss q w 的e b c r 随注入载流子浓度的变化。由图可见，随着载流子浓度的增加，e b o r 增加；随阱宽的增加，e b g r 也增加。低注入载流子浓度下，e b g r 值为3 0 4 0 m e v ；随注入载流子子浓度的继续增加，e b g r 达到一5 0 m e v “。e b g r 理论计算值与文献中报道有关g a a s a i g a a s 量子阱激光器 的e b g r ( e v ) 随注入载流子浓度n ( e r a 。3 ) 的变化是相符合的1 2 3 l ： e g 一3 2 1 0 - 8 x ( n ) 。1 凸( 3 3 2 ) 带隙收缩效应可以使g a a s a i o3 g m ，7 a s 量子阱的跃迁能对应波长向长 波长方向漂移约2 0 n m ，因此，e b g r 对带隙的影响在垂直腔面发射激 光器的量子阱设计中是不能忽略的图中还给出了6 n m 阱宽 g a a s a 1 03 g a o7 a s 量子阱的e c h 和e s x ，e c h 和e s x 约1 0 2 0 m e v 。 幽3 3 理论计算的g a a “a 1 0 1 g a o7 a s 的e b o r 图3 4 是考虑了带隙收缩效后的g a a s a i o3 g a o7 a s 量子阱的增益 谱，注入载流子浓度为3 x 1 0 ”c m 。8 x 1 0 1 8 c m 一，n = l 1 0 ”c m 一。与 图3 2 相比，在相同注入载流子浓度下，相同阱宽的量子阱增益谱向长 波长方向有一定的漂移。低注入载流子浓度下，6 n m ，7 n m ，8 n m 和9 r i m q w 的峰值增益波长分别约在8 4 4 n m 8 5 2 n m ，8 5 9 n m 和8 6 5 n m 附近。此 外，带隙收缩效应使量子阱在高注入载流予浓度下的峰值增益波长出现 “红移”，即峰值增益波长向长波长方向漂移。 i l i 董 i i i i 童 主 l l ! c | 3 4 b g r 效应f 的g a a s a 1 0 1 g a o7 a sq w 的理论计算增益谱 n “ o ”_ 图3 5 理论计算不同阱宽度的峰值模增赢随注入载流子浓度的变化 fi-邑c巨宴主|pa鼍 图3 5 是3 0 0 k 下理论计算的不同阱宽下最大模增益随注入载流子 浓度的变化。随着q w 宽度的增加，透明载流子浓度n 。降低，这是由 于阱宽增加，电子和空穴子能级降低，在较低的注入载流子浓度下电子 准费米能级更容易进入导带而实现粒子数分御反转条件。阱宽为6 n m ， 7 n m ，8 n m 。9 n m 的量子阱的n t ，分别为2 8 4 1 0 ”c m 。、2 5 7 1 0 i s c m 一、 2 ，3 7 1 0 1 s c m 3 、2 2 5 l o 8 c m - 3 。通常将模增益拟合为载流子浓度n 的 经验对数关系”： 幽，强( - n 昙+ t ) ( 3 3 3 ) 其中，r l o = e n t ，e 为自然常数，g o 为常数。 为了使q w 增益谱在工作温度范内与发射波长有良好的匹配，需要 计算q w 增益谱随温度的漂移大小。计舅时取g a a s 带隙e g ( e v ) 随温度 t ( k ) 的变化为i 。i ： 。，( r ) - - 1 5 1 9 一5 4 0 5 1 0 4 t ( 3 _ 3 4 ) “ 2 0 4 + ， 图3 6 是计算的6 n m 和8 n m 阱宽g a a s a i o3 g a o7 a s s q w 注入载流 子浓度为5 1 0 培c m o 时，2 9 0 3 5 0 k 下的增益谱。随着温度的升高，q w 的峰值增益下降，增益谱向长波长方向漂移，增益谱随温度的漂移为 o 2 9 n m k ，计算结果比文献 2 6 1 0 0 实验结果0 3 2 n m k 略低。 ， 重 主 i 盖 l r 啊i 舯) w h 胛_ i 幽3 6 理论计算g a a s a 1 0 1 g a o7 a ss q w 增筛谱随温度的变化 3 3v c s e l 发射波长和量子阱增益的匹配 与边发射激光器不同，v c s e l 的发射波长取决于入腔的谐振波长， 而不是增益的峰值波长，因此，v c s e l 的阈值电流和效率依赖于增益 谱和发利波长的匹配情况。随着温度的升高，材料带隙减小，对应m q w 增益谱向长波长方向移动；同时，温度升高导致材料折射率增加，九腔 的光学厚度增加，使发射波长也向长波长方向漂移。对于8 5 0 n m g a a s a l o3 g a o7 a sq w ，增益谱值随温度的漂移为0 2 9 n m ，而v c s e l 发射波长受d b r 反射和f p 腔光学厚度变化的影响，随温度的漂移