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1.3μm VCSEL结构制作研究

2020-11-23阅读(846)

1.3μm VCSEL结构制作研究

论文摘要

垂直腔面发射激光器（VCSEL）因具有在片测试、与光纤耦合效率高、调制速率高和功耗低等优点而有可能成为今后光网络中最有竞争优势的光源。特别地，近年来适合于中短程的单模光纤网络的光通信长波长（1.3～1.55μm）VCSEL发展迅速，已经成为近年来激光器研究领域中一个十分活跃的课题。本论文围绕键合结构1.3μmVCSEL，研究了单元材料的气态源分子束外延（GSMBE）生长及其表征、在国内首次探讨了低温Au-In-Au金属键合技术在VCSEL制作中的应用，最后还研究了VCSEL器件的制作工艺。获得的主要结果有：根据Thermo V90 GSMBE系统，研究了VCSEL材料的各种GSMBE生长参数，优化生长了用作键合结构1.3μm VCSEL的InAsP／InGaAsP SCMQW有源区和GaAs／AlAs DBR材料，并采用高分辨X射线衍射（XRD）、傅立叶变换红外光谱（FTIR）、电化学C-V，Hall等进行了表征。结果表明，采用间断生长方法有利于材料质量的改善，而生长的DBR对数越多，周期厚度波动越大，并且优化生长的有源区和DBR材料质量可靠，均达到直接键合结构1.3μm VCSEL的材料设计要求。在国内首次创造性地把低温Au-In-Au金属键合技术应用到长波长VCSEL结构的制作中。成功地把InP基半腔VCSEL结构样品在加压2MPa，N2气氛中200℃低温退火20分钟下金属键合到Si衬底上，键合强度高，键合界面平整，缺陷少，改善了器件热特性，实现了衬底倒扣，并且DBR上蒸镀的金属膜Au提高了VCSEL的反射性能。对键合前后样品反射谱和PL谱的比较分析表明，低温金属键合过程不影响量子阱有源区及DBR的光学性质，即Au-In-Au低温金属键合技术对VCSEL器件结构的制作是有利的。利用Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体工艺平台研究了多量子阱有源区电致荧光器件制作和键合结构的1.3μm VCSEL器件制作。器件制作工艺过程主要包括直接键合、台价制作、侧向腐蚀、隔离、p面电极制作、n面电极制作等。其中电致荧光器件开启电压为1.1V，发光波长为1.31μm。而键合结构VCSEL导通电压为3.8V，串联电阻为2.4*103Ω，室温13.88mA脉冲电流（占空比0.5％）条件下激射波长为1288.63nm。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 引言
  • 第二章 文献综述
  • 2.1 VCSEL概述
  • 2.2 长波长VCSEL结构及其特性
  • 2.2.1 基本单元
  • 2.2.2 器件结构
  • 2.3 长波长VCSEL材料
  • 2.4 长波长VCSEL工艺
  • 2.5 长波长VCSEL问题和展望
  • 2.6 本论文的主要研究内容
  • 2.7 本章小结
  • 第三章 VCSEL材料的GSMBE生长及其表征
  • 3.1 MBE技术
  • 3.2 V90 GSMBE系统
  • 3.3 VCSEL材料的GSMBE生长
  • 3.3.1 生长温度控制
  • 3.3.2 GSMBE生长速率和材料组分的确定
  • 3.3.3 GSMBE材料掺杂
  • 3.4 VCSEL材料表征技术
  • 3.5 1.3μm VCSEL的DBR材料的GSMBE生长及其表征
  • 3.5.1 GaAs/AlAs DBR结构设计
  • 3.5.2 间断生长DBR
  • 3.5.3 10对和30对GaAs/AlAsDBR的质量比较
  • 3.5.4 GaAs/AlAs DA DBR的GSMBE生长及表征
  • 3.6 1.3μm VCSEL的量子阱有源区的GSMBE生长及其表征
  • 3.6.1 InAsP/InGaAsP量子阱有源区结构设计
  • 3.6.2 GSMBE材料生长优化
  • 3.6.3 InAsP/InGaAsP多量子阱结构有源区材料的XRD及光谱表征
  • 3.7 本章小结
  • 第四章 金属键合研究及其在VCSEL制作中的应用
  • 4.1 金属键合原理、工艺、表征和应用
  • 4.1.1 金属键合基本工艺和方法
  • 4.1.2 金属键合表征
  • 4.1.3 金属键合在光电器件中的应用
  • 4.2 低温Au-In-Au金属键合在VCSEL制作中的应用
  • 4.3 低温Au-In-Au金属键合实验步骤
  • 4.4 低温Au-In-Au金属键合在1.3μmVCSEL制作中应用实验
  • 4.4.1 实验方法
  • 4.4.2 实验结果与讨论
  • 4.5 本章小结
  • 第五章 VCSEL制作工艺
  • 5.1 引言
  • 5.2 VCSEL有源区电致荧光器件制作
  • 5.2.1 制作工艺
  • 5.2.2 光电性能测试
  • 5.3 1.3μm VCSEL器件制作
  • 5.3.1 制作工艺流程
  • 5.3.2 器件性能测试
  • 5.4 本章小结
  • 第六章 总结与展望
  • 6.1 工作总结
  • 6.2 展望
  • 参考文献
  • 发表论文及申请专利目录
  • 致谢
  • 作者简历

    • 相关论文文献

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