大功率半導(dǎo)體激光器以其體積小、效率高、壽命長等優(yōu)勢,廣泛應(yīng)用于工業(yè)加工、醫(yī)療美容、軍事等領(lǐng)域。近年來,激光測距、激光焊接等系統(tǒng)越來越趨于小型化發(fā)展,對1060nm半導(dǎo)體激光器的輸出功率、發(fā)散角、工作電壓等方面提出了更高的要求。隧道級聯(lián)多有源區(qū)半導(dǎo)體激光器利用反偏的隧道結(jié)將n個(gè)激光器片內(nèi)級聯(lián),實(shí)現(xiàn)了內(nèi)量子效率n倍提高,小電流下高功率輸出,發(fā)光面積的增加提高了器件的COMD水平。本文針對1060nm隧道級聯(lián)多有源區(qū)大功率半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和外延制備主要進(jìn)行了以下研究:(1)研究了隧道級聯(lián)多有源區(qū)半導(dǎo)體激光器的研究背景。介紹了半導(dǎo)體激光器的發(fā)展史,分析了半導(dǎo)體激光器提高功率遇到問題及提高功率的傳統(tǒng)方法;重點(diǎn)研究了隧道級聯(lián)多有源區(qū)半導(dǎo)體激光器的工作原理、優(yōu)勢及發(fā)展現(xiàn)狀。(2)研究了半導(dǎo)體激光器的外延生長技術(shù)。介紹了MOCVD外延生長技術(shù)的發(fā)展史,并重點(diǎn)闡述了本實(shí)驗(yàn)室的EMCORE D125型號LP-MOCVD系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理。此外,對用于外延測試的兩種技術(shù):光致發(fā)光(PL)譜、電化學(xué)(ECV)的工作原理進(jìn)行了闡述,并介紹了對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室儀器。(3)設(shè)計(jì)了有源區(qū)結(jié)構(gòu)并完成材料生長。運(yùn)用基于6×6 Luttinger-Kohn的有限差分法,通過matlab編程模擬了InGaAs/GaAs量子阱結(jié)構(gòu),計(jì)算得到躍遷波長固定為1060nm時(shí)量子阱材料組分與阱寬的關(guān)系,確定了量子阱結(jié)構(gòu)。研究了MOCVD生長過程中溫度、Ⅴ/Ⅲ比對量子阱的影響,得到了高質(zhì)量有源區(qū)外延材料。(4)設(shè)計(jì)了單有源區(qū)激光器結(jié)構(gòu)并完成材料生長。介紹了半導(dǎo)體激光器的光波導(dǎo)理論,模擬計(jì)算了波導(dǎo)層的結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了非對稱大光腔波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。然后對限制層進(jìn)行了模擬計(jì)算,設(shè)計(jì)了限制層結(jié)構(gòu)。最后研究了生長溫度、Ⅴ/Ⅲ比對Al_(0.1)Ga_(0.9)As/Al_(0.3)Ga_(0.7)As DH的影響,得到了高質(zhì)量波導(dǎo)層、限制層外延材料。(5)設(shè)計(jì)了高性能隧道結(jié)并完成材料生長。基于GaAs同質(zhì)結(jié)設(shè)計(jì)了InGaAs QW隧道結(jié)和InGaAs DQW隧道結(jié),經(jīng)過外延及工藝得到了隧道結(jié)器件,測試對比得到性能最好的隧道結(jié)InGaAs DQW隧道結(jié)。(6)多有源區(qū)激光器的材料生長及器件制備。首先通過MOCVD生長1060nm隧道級聯(lián)三有源區(qū)半激光器外延片,并通過PL技術(shù)和ECV技術(shù)測試外延片的PL譜和摻雜濃度。然后利用后工藝將外延片制備得到激光器單管和迷你巴條,最后,測試激光器的光電特性。激光器單管閾值電流為407 mA,斜率效率為1.87 W/A。電流達(dá)到12A時(shí),輸出最大功率19.26W。迷你巴條閾值電流約為1.22A,斜率效率為1.88 W/A。注入電流達(dá)到28A時(shí),輸出最大功率47.76W。
【學(xué)位單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN248.4
【部分圖文】：

激光器已經(jīng)取得了極大的發(fā)展，如圖1-1 所示半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)有激光器單管、巴條、陣列，波長范圍包含了從近紫外到可見光再到遠(yuǎn)紅外。在利用半導(dǎo)體激光器作為核心器件的高速率的信息流的傳輸、處理、交換領(lǐng)域取得了很大的發(fā)展。在非通信領(lǐng)域，提高輸出功率，調(diào)制輻射波長等方面同樣取得了新的進(jìn)展。半導(dǎo)體激光器在將來的各行各業(yè)將會發(fā)揮越來越重要的作用。圖 1-1 （a）半導(dǎo)體激光器單管（b）巴條（c）陣列Fig. 1-1 (a) semiconductor laser single chip (b)bar (c)chip array1.1 半導(dǎo)體激光器的發(fā)展歷史早在1951年，莫斯科Lebedev Institute的Nikolai Basov，Alexander Prokhorov便開始了對通過受激輻射實(shí)現(xiàn)微波放大（Microwave Amplification by StimulatedEmission of Radiation：MASER）的研究[2]。Arthur Schawlow 和 Charles Townes[3]及其他小組[4]于 1958-1960 年首次提出了 LASER（ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation )的概念。1961 年，前蘇聯(lián)巴索夫首次提出在半導(dǎo)體內(nèi)可以產(chǎn)生受激輻射的理論[5]。1962 年 7 月，RCA 實(shí)驗(yàn)室和 MIT 林肯實(shí)驗(yàn)小組在固體器件研究會上報(bào)道了電致發(fā)光的 GaAs 擴(kuò)散結(jié)二極管。同年 9-10 月的 30 天內(nèi)，半導(dǎo)體激光器被美

圖 1-2 （a）隧道級聯(lián)多有源區(qū)半導(dǎo)體激光器示意圖和（b）能帶圖Fig. 1-2 (a) Schematic diagram of the tunnel cascaded multi-active region semiconductor lasand (b) the energy band diagram during operation隧道級聯(lián)多有源區(qū)半導(dǎo)體激光器工作時(shí)的能帶圖如圖 1-2（b）所示，激光作時(shí)電子通過 n 型電極進(jìn)入 n 型區(qū)，在第一個(gè)有源區(qū)內(nèi)電子由導(dǎo)帯進(jìn)入價(jià)帶穴復(fù)合產(chǎn)生一個(gè)光子，然后電子可以穿過反偏的 pn 隧道結(jié)進(jìn)入到第二有源第二個(gè)有源區(qū)內(nèi)由導(dǎo)帯躍遷進(jìn)入價(jià)帶與空穴復(fù)合再次產(chǎn)生一個(gè)光子。也就是果激光器有 N 個(gè)有源區(qū)，從電極注入一個(gè)電子將會產(chǎn)生 N 個(gè)光子，這將極提高激光器的功率。.3.2 隧道級聯(lián)多有源區(qū)半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點(diǎn)（1）內(nèi)量子效率大于 1。傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器內(nèi)量子效率受到限制，不能大于 1。而多有源區(qū)半導(dǎo)體器受益于反偏隧道結(jié)對電子的再生作用，注入一個(gè)電子可以產(chǎn)生 N 個(gè)光子

圖 2-1. EMCORE 公司 D125 型 LP-MOCVDFig. 2-1 D125 LP-MOCVD system of EMCORE MOCVD 系統(tǒng)主要由原材料氣源輸運(yùn)系統(tǒng)、材料生長的反應(yīng)室系系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)以及原位監(jiān)測系統(tǒng)組成。其中反應(yīng)室系統(tǒng)是該分。
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本文編號：2856556