中紅外半導(dǎo)體激光器相比于其它體制中紅外波段激光器具體積小、壽命長、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點,在氣體探測、激光雷達、醫(yī)療及國防等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。但因器件材料體系及外延結(jié)構(gòu)的影響,目前中紅外半導(dǎo)體激光器普遍存在導(dǎo)熱散熱差、封裝及溫控要求高、側(cè)向光束質(zhì)量低的問題,這些限制了中紅外半導(dǎo)體激光器的實際應(yīng)用。針對上述問題,本論文將側(cè)向微結(jié)構(gòu)引入到中紅外半導(dǎo)體激光器中,目的是實現(xiàn)中紅外半導(dǎo)體激光器電、熱、光特性的改善,具體的研究內(nèi)容和成果如下:（1）采用有限元方法模擬研究了量子級聯(lián)激光器熱學(xué)、電學(xué)特性與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)關(guān)系,提出階梯型側(cè)向波導(dǎo)微結(jié)構(gòu),有效改善了量子級聯(lián)激光器側(cè)向?qū)?使有源區(qū)中心溫度對比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)有明顯下降,同時提高了電流注入效率。（2）提出傾斜波導(dǎo)片上合束結(jié)構(gòu),采用軟件模擬了傾斜波導(dǎo)各階側(cè)向模式的諧振狀態(tài)和腔面反射率,從理論上證明該結(jié)構(gòu)可有效抑制高階側(cè)向模式激射,可明顯改善激光器側(cè)向光束質(zhì)量,同時揭示了器件閾值電流密度升高的原因。（3）將傾斜波導(dǎo)片上合束結(jié)構(gòu)應(yīng)用于GaAs基近紅外和GaSb基中紅外激光器,成功制備了夾角分別為10°和15°的合束器件,實驗驗證了傾斜波導(dǎo)片上合束結(jié)構(gòu)對側(cè)向光束... 

【文章來源】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所)吉林省

【文章頁數(shù)】：126 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

一些氣體分子在中紅外波段的吸收峰

圖 1.2 不同中紅外半導(dǎo)體激光器及其覆蓋的波長范圍Figure 1.2 Different MIR semiconductor lasers and their wavelength ranges.2 GaSb 基中紅外激光器有源區(qū)的發(fā)展過程概述2.1 GaSb 基雙異質(zhì)結(jié)激光器概述1963 年第一支基于 InAs 同質(zhì)結(jié)的Ⅲ-V 族中紅外激光器在低溫下成功激射波長為 3.1μm[14]。隨后，Caneau 等人首次成功制備了以 InGaAsSb 為有雙異質(zhì)結(jié)中紅外激光器[15]。該器件的結(jié)構(gòu)簡圖如圖 1.3 所示，這種結(jié)構(gòu)是相外延生長技術(shù)（LPE）制備的，可在波長為 2.2μm 處發(fā)光。通過控制 InGaA種組分的含量比例能夠使得其晶格與 GaSb 襯底匹配，同時在室溫下帶隙接地在 0.29eV 到 0.73eV 區(qū)間內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，能夠有效覆蓋 1.7μm 到 4.3μm 范圍。因此，GaSb 材料體系逐步受到廣大科研工作者的熱切關(guān)注。但是

圖 1.3 雙異質(zhì)結(jié)激光二極管工作原理簡圖[15]Figure 1.3 The Schematic diagram of double heterojunction laser diode[15]這些基于雙異質(zhì)結(jié)有源區(qū)的中紅外激光器性能指標(biāo)不良的主：，液相外延生長技術(shù)（LPE）是一種基于熱力學(xué)平衡的生長技力學(xué)平衡的材料。LPE 也很難生長出陡直的界面和多層異質(zhì)結(jié)控制層的厚度[19]。在更為精細的外延生長技術(shù)（如金屬有機D）和分子束外延（MBE））發(fā)展起來以后，利用 MOCVD 和捷的生長具備良好光學(xué)性質(zhì)的多元半導(dǎo)體材料，例如 Ab[20]。此外，InGaAsSb 四種組分在不互溶區(qū)的半導(dǎo)體材料也被出來[21, 22]。1991 年，Choi 所在研究組報導(dǎo)了一種中紅外激光利用 MBE 生長的嚴(yán)格晶格匹配的 GaInAsSb/AlGaAsSb/GaSb


本文編號：3134329