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

【摘要】：近年來,銻化物由于其獨特的能帶結(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合躍遷效率高的優(yōu)點,使得銻化物半導體激光器具有效率高、外延結(jié)構(gòu)設(shè)計和外延生長制備簡單等一系列優(yōu)點。但是,銻化物材料嚴重的表面態(tài)問題最終引起的災(zāi)變性光學鏡面損傷(COD)一直限制著激光器的進一步發(fā)展,尤其是限制激光器的輸出功率和可靠性。另外,波長拓展以及實現(xiàn)波長鎖定是半導體激光器研究和發(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)導致的非輻射復合是銻化物半導體激光器腔面發(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體激光器性能的影響。以上研究及分析為設(shè)計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;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,提出利用4種含硫溶液的方法對銻化物材料進行鈍化處理,包括:1)(NH4)2S中性溶液,2)S2Cl2溶液,3)電化學刻蝕結(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、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)光強度均有進一步提高。(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,本文提出利用基于等離子體增強原子層沉積(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)對材料表面進行N刻蝕預處理,然后在刻蝕后的表面沉積AlN薄膜。通過PL光譜(含單點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、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、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)光強度緩慢下降且僅下降20%,15天后樣品發(fā)光強度不再下降,最終PL強度是初始PL強度的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)計了分布反饋半導體激光器(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)計要求,具有良好的表面形貌等特性。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：長春理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN248

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本文編號：1549467