本文關(guān)鍵詞： 銻化物材料 半導(dǎo)體激光器 表面特性 鈍化 光柵微納結(jié)構(gòu)　出處：《長春理工大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：近年來,銻化物由于其獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)和性質(zhì),已經(jīng)成為制作2-5μm中紅外波段半導(dǎo)體激光器的首選材料。銻化物材料由于其窄帶隙和直接帶隙輻射復(fù)合躍遷效率高的優(yōu)點(diǎn),使得銻化物半導(dǎo)體激光器具有效率高、外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和外延生長制備簡單等一系列優(yōu)點(diǎn)。但是,銻化物材料嚴(yán)重的表面態(tài)問題最終引起的災(zāi)變性光學(xué)鏡面損傷(COD)一直限制著激光器的進(jìn)一步發(fā)展,尤其是限制激光器的輸出功率和可靠性。另外,波長拓展以及實(shí)現(xiàn)波長鎖定是半導(dǎo)體激光器研究和發(fā)展的重要內(nèi)容。從應(yīng)用的角度來看,對具有穩(wěn)定發(fā)射波長的分布反饋(Distributed Feedback,DFB)半導(dǎo)體激光器(DFB-LD)的需求越來越迫切,內(nèi)置布拉格光柵是DFB-LD的重要組成部分,其性能的好壞直接決定激光器性能的優(yōu)劣。因此,本論文以銻化物材料表面特性及微納結(jié)構(gòu)作為研究對象,圍繞銻化物材料表面態(tài)以及內(nèi)置布拉格光柵的主題,深入探討和研究以提高銻化物半導(dǎo)體激光器的輸出功率和可靠性為目的的材料鈍化技術(shù)和內(nèi)置布拉格光柵制備技術(shù)。通過表面微區(qū)分析技術(shù)研究銻化物材料表面特性及微納結(jié)構(gòu)。主要研究內(nèi)容和研究結(jié)論如下:(1)銻化物材料表面特性及微納結(jié)構(gòu)的理論研究研究了銻化物材料表面態(tài)來源以及表面態(tài)對激光器性能的影響,指出表面態(tài)導(dǎo)致的非輻射復(fù)合是銻化物半導(dǎo)體激光器腔面發(fā)生COD,影響激光器性能的主要原因;分析了內(nèi)置布拉格光柵對銻化物分布反饋半導(dǎo)體激光器性能的影響。以上研究及分析為設(shè)計(jì)和制備出具有良好表面性能的銻化物材料及光柵微納結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。(2)鈍化技術(shù)和光柵制備技術(shù)以及表征分析方法為了研究GaAs、GaSb、GaAsSb高表面態(tài)的問題,介紹濕法鈍化技術(shù)和干法鈍化技術(shù)的基本原理及特點(diǎn);介紹了DFB-LD內(nèi)置布拉格光柵結(jié)構(gòu)的制備技術(shù);詳細(xì)闡述研究材料表面特性及微納結(jié)構(gòu)幾種有效的表面微區(qū)分析技術(shù),如光致發(fā)光(PL)光譜技術(shù)、近場光學(xué)顯微術(shù)(SNOM)、原子力顯微術(shù)(AFM)、X射線光電子能譜技術(shù)(XPS)等。(3)銻化物材料含硫溶液濕法鈍化技術(shù)研究為了克服常規(guī)含硫溶液濕法鈍化的缺點(diǎn),提出利用4種含硫溶液的方法對銻化物材料進(jìn)行鈍化處理,包括:1)(NH4)2S中性溶液,2)S2Cl2溶液,3)電化學(xué)刻蝕結(jié)合(NH4)2S中性溶液,4)沉積ZnS薄膜層。通過PL光譜(含單點(diǎn)PL光譜和PL mapping)、AFM、XPS等表面微區(qū)分析技術(shù)研究了鈍化后GaAs、GaSb、GaAsSb表面光學(xué)、形貌等特性。結(jié)果表明,采用本文所提出的含硫溶液濕法鈍化后GaAs、GaSb、GaAsSb發(fā)光強(qiáng)度分別提高了3~5倍、14~25倍、24~25倍,較常規(guī)含硫溶液濕法鈍化后樣品的發(fā)光強(qiáng)度均有進(jìn)一步提高。(4)銻化物材料氮鈍化技術(shù)研究為克服含硫溶液濕法鈍化的二次氧化問題,以及反應(yīng)副產(chǎn)物難以去除、濕法鈍化樣品表面過于粗糙等缺點(diǎn),本文提出利用基于等離子體增強(qiáng)原子層沉積(PEALD)技術(shù)的干法鈍化——氮鈍化技術(shù)。在PEALD過程中,采用NH3等離子體(plasma)對材料表面進(jìn)行N刻蝕預(yù)處理,然后在刻蝕后的表面沉積AlN薄膜。通過PL光譜(含單點(diǎn)PL光譜和PL mapping)、AFM、XPS等表面微區(qū)分析技術(shù)研究鈍化后GaAs、GaSb、GaAsSb表面光學(xué)、形貌等特性。結(jié)果表明,氮鈍化技術(shù)可以很好的抑制GaAs、GaSb、GaAsSb表面態(tài),經(jīng)氮鈍化處理后GaAs、GaSb、GaAsSb表面具有良好的光學(xué)、形貌等特性。獲得的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為:等離子體功率200W,刻蝕400周期;AlN薄膜沉積溫度250°C,AlN薄膜沉積200周期。XPS和PL光譜測試分析表明,在最優(yōu)工藝條件下,可以完全去除材料表面Ga-O、As-O、Sb-O鍵,鈍化后GaAs、GaSb、GaAsSb發(fā)光強(qiáng)度可分別提升2.5倍、15倍、14倍左右,而且15天內(nèi)樣品發(fā)光強(qiáng)度緩慢下降且僅下降20%,15天后樣品發(fā)光強(qiáng)度不再下降,最終PL強(qiáng)度是初始PL強(qiáng)度的80%,鈍化效果可長期有效保持。(5)銻化物材料內(nèi)置布拉格光柵微納結(jié)構(gòu)研究優(yōu)化設(shè)計(jì)了分布反饋半導(dǎo)體激光器(DFB-LD)內(nèi)置布拉格光柵的階數(shù)、周期、占空比、深度等結(jié)構(gòu)參數(shù)。確定基于GaSb的布拉格光柵結(jié)構(gòu)的參數(shù):光柵階數(shù)為二階,周期為1μm,占空比為25%,厚度為30nm;確定基于GaAsSb的布拉格光柵結(jié)構(gòu)的參數(shù):光柵階數(shù)為二階,周期為1.1μm,占空比為25%,厚度為30nm。通過電子束直寫(EBDW)曝光和電感耦合等離子體(ICP)刻蝕技術(shù)制備光柵;為解決GaSb、GaAsSb表面態(tài)影響ICP刻蝕深度的問題,提出將氮鈍化技術(shù)用于該光柵結(jié)構(gòu)的制備。通過SNOM、AFM、SEM等表面微區(qū)分析技術(shù)研究光柵結(jié)構(gòu)表面形貌等特性。結(jié)果表明,引入氮鈍化技術(shù)制備的光柵微納結(jié)構(gòu),可以解決由GaSb、GaAsSb表面自然氧化層引起ICP刻蝕速率不可控的問題。引入氮鈍化技術(shù)制備光柵結(jié)構(gòu),可精確控制ICP刻蝕深度,制備的光柵結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求,具有良好的表面形貌等特性。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：長春理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN248

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