【摘要】：量子級聯(lián)超輻射發(fā)光二極管,不同于傳統(tǒng)的PIN結(jié)半導(dǎo)體發(fā)光器件,是基于導(dǎo)帶中電子的子帶間躍遷的單極性半導(dǎo)體邊發(fā)射的中紅外光源。它兼具了激光器的高功率和發(fā)光二極管的寬光譜特性,同時具有弱時間相干性和高光纖耦合效率的特點(diǎn),是中紅外光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)的理想光源。但由于量子級聯(lián)材料中非輻射復(fù)合載流子壽命極短導(dǎo)致自發(fā)輻射效率非常低,要實(shí)現(xiàn)高性能的超輻射輸出十分困難,所以對于量子級聯(lián)超輻射發(fā)光二極管的研究則從2006年起才有了少量報道。本文提出一種新型的緊湊式分段的波導(dǎo)結(jié)構(gòu),并基于這種結(jié)構(gòu)首次報道了室溫連續(xù)工作的中紅外量子級聯(lián)寬光譜光源陣列器件,將輸出功率提高到mW量級。本論文具體工作涉及理論研究、結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真模擬、材料生長、器件工藝、性能測試等方面,主要包括以下內(nèi)容:(1)中紅外量子級聯(lián)寬光譜超輻射光源的基礎(chǔ)介紹。首先,分析基于量子級聯(lián)材料制備中紅外光源的必要性;其次,概述超輻射發(fā)光二極管的定義、工作原理、特點(diǎn)和應(yīng)用;最后,介紹中紅外量子級聯(lián)超輻射發(fā)光二極管的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。(2)材料生長及表征、器件工藝與測試技術(shù)。本文采用分子束外延技術(shù)在InP襯底上生長以量子級聯(lián)為有源區(qū)的器件結(jié)構(gòu),然后通過半導(dǎo)體器件制備工藝完成器件制備,并對器件性能進(jìn)行測試表征�；谝陨狭鞒�,依次介紹材料外延方法、材料表征技術(shù)、器件工藝流程和器件測試手段。(3)中紅外量子級聯(lián)超輻射發(fā)光二極管的制備。通過理論分析并結(jié)合仿真計算,設(shè)計了新型的緊湊式分段的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。制備了一系列緊湊型中紅外量子級聯(lián)超輻射發(fā)光二極管,經(jīng)過系統(tǒng)測試分析確認(rèn)了合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)。結(jié)果表明,我們所設(shè)計的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)幾何尺寸小、脊寬大小均勻,非常適用于陣列器件的制備。(4)中紅外量子級聯(lián)超輻射發(fā)光二極管陣列的制備。進(jìn)一步優(yōu)化單管器件結(jié)構(gòu),并通過模擬陣列結(jié)構(gòu)中的熱場分布,確定了陣列器件中單管的間隔距離。最終成功制備了國際上第一個室溫連續(xù)寬光譜中紅外量子級聯(lián)超輻射發(fā)光二極管陣列,室溫連續(xù)電流注入下的輸出功率達(dá)到2.4 mW,對應(yīng)的光譜寬度約200 cm-1,輸出光束質(zhì)量優(yōu)異。這些結(jié)果十分契合中紅外光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)對光源的要求,因而推動了量子級聯(lián)超輻射發(fā)光二極管器件的實(shí)際應(yīng)用。
【圖文】：

其傳播方向垂直于電場與磁場構(gòu)成的平面，具有波粒二象性。它波動逡逑性的特征指標(biāo)表現(xiàn)為不同的波長；Ｉ，而粒子性的特征指標(biāo)表現(xiàn)為不同的光子能量逡逑五。如果使用波長Ａ來研究電磁波，可以劃分出很多波段，如圖１．１所示，包含Ｙ逡逑射線（１０－１４＜Ａ邋＜邋１0－１０ｍ）、Ｘ邋射線（１０＿１０邋＜Ａ邋＜邋１0－９ｍ）、紫外線（１0－９＜義＜邋３．８Ｘ邋１0－７逡逑ｍ）、可見光（３．８Ｘ１０－７邋＜２邋＜７．８ｘｉ0－７邋ｍ）、紅外線（７．８Ｘ１０－７邋＜２邋＜３ｘｉ0－５邋ｍ）、逡逑太赫茲波（３ｘｌ0－５＜Ａ＜３ｘｉ0－３ｍ）、微波（３ｘｉ0－３＜Ａ＜ｌｍ）和無線電波（Ａ＞１逡逑ｍ）。根據(jù)愛因斯坦光量子假說，光子能量五與波長＞１的關(guān)系如式１－１所示：逡逑Ｅ邋＝邋—邐（１－１）逡逑Ａ逡逑其中Ａ為普朗克常量，ｃ：為真空中的光速。逡逑高邋＜邐光子能量五邐低逡逑化學(xué)鍵斷裂＋電子躍遷＋振動躍遷｜邐轉(zhuǎn)動躍遷邐｜原子核自轉(zhuǎn)逡逑Ｙ射線ｘ射線ｉ紫外線｜｜￣￣紅外線邐＂＂＂＂＂？￣無線電波逡逑／邋ｉ邋＼邐１逡逑近紅外中紅外遠(yuǎn)紅外逡逑短邐邐邐邐邋波似邐＊長逡逑圖１．１根據(jù)波長劃分的電磁波波段逡逑可以得知，人通過肉眼能夠直接感知的可見光也是電磁波的一種，而且只是逡逑電磁波中的一個很小波段�？梢姽饽軌驇椭祟愔庇^地認(rèn)識世界，而其他波段的逡逑電磁波能夠輔助人類探索更多的未知世界。其中紅外線己經(jīng)成為一種用途廣泛的逡逑成熟工具

Ｅ邋＝邋＾邐（１－２）逡逑Ａ逡逑大氣中多種微量氣體對波長為１？７邋的紅外線吸收強(qiáng)度如圖１．２所示，可逡逑以看出３邋￣５＠波段受水蒸氣的吸收很弱，，是一個優(yōu)秀的中紅外大氣窗口。該波逡逑段擁有對比度高和穿透性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，也是很多生物組織和微量氣體的強(qiáng)吸收波逡逑段。中紅外光源的用途非常廣泛［Ｍ］，在成像領(lǐng)域可以作為醫(yī)學(xué)診斷與工業(yè)檢測逡逑的工具，在探測領(lǐng)域可以捕捉痕量氣體和高溫?zé)嵩吹男畔�，在軍事領(lǐng)域可以用作逡逑激光制導(dǎo)以及激光雷達(dá)的光源。逡逑４＾－％邐１邋＇邐ｆ．．－……Ｉ＂工……＂Ｉ＂＂Ｖ邐邐邐ｆ邐邐邐邋＂邋Ｊ邐＇■逡逑．§邋１Ｅ１８邋—ＣＯ逡逑ｒ邐—．ｎ0２邐ｉ逡逑Ｍ邐邐ＮＯ邐Ｋｋ逡逑ｇ邐，一＾Ｃ0２邋煖邐Ｖ、逡逑１邋：邋ｉ／ｒ逡逑ｉｉｌｉｌｉｉｌＨ邋ＭＭ逡逑１２邐３邐４邐５邐６邐７逡逑ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ邋（ｐｍ）逡逑圖１．２多種微量氣體對１？７叫波段的紅外線吸收強(qiáng)度逡逑認(rèn)識到該波段的巨大應(yīng)用前景后，很多研宄小組開始致力于中紅外發(fā)光器件逡逑的研宄。１９９５年，Ｔａｃｋｅ等人首次提出基于鉛鹽材料的半導(dǎo)體激光器ｔ５］，這類直逡逑接帶隙半導(dǎo)體材料的禁帶寬度（即光子能量五）恰好適合這一波段的發(fā)光
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O441.4;TN312.8

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本文編號：2698425