InP基InGaAlAs/InGaAsSb应变量子阱激光器材料与设计研究

论文摘要

本论文从理论上分析了InP基砷化物和锑化物半导体材料的基本性质,主要包括通过二元系和三元系材料参数线性插值计算InGaAlAs,InGaAsSb四元系材料的晶格常数、禁带宽度等,并在禁带宽度的计算中考虑了能带弯曲引起的修正量（bow）。在此基础上采用有效质量模型下的4×4 Luttinger-Kohn哈密顿量矩阵对InGaAlAs/InGaAsSb应变量子阱的能带结构、激射波长进行理论分析和设计优化讨论,并采用力学平衡模型计算了此应变材料体系在生长时的临界厚度。通过这些理论分析,优化了激光器的结构和各层材料的组分、厚度等参数,为材料生长和器件制备提供了理论依据。众所周知,InP为衬底的半导体激光器作为光纤通信用光源起着重要作用,并在1.3μm和1.55μm光纤通信波段已经有高性能的单模激光器得到了实用化。InP基InGaAlAs/InGaAsSb应变量子阱材料虽然波长范围相对较窄（1.6-2.5μm）,但它与GaSb基AlGaAsSb/InGaAsSb材料相比,在衬底质量和器件工艺等方面体现出来的优势而引起人们的关注。采用InP衬底对锑化物材料的外延生长和结构进行研究,一方面可以借鉴InP基材料的外延生长以及器件工艺方面的成功经验,另外将会在未来的光电子集成方面发挥重要作用。因此,本论文重点研究InP衬底上,InGaAs、InAlAs、InGaAlAs、InGaAsSb材料和结构的制备和特性。采用固态源分子束外延（SSMBE）设备,在InP衬底上生长了单层InGaAs、InAlAs、InGaAlAs、InGaAsSb材料。通过外延材料的表面形貌、界面特性、晶格质量以及发光特性等进行了研究分析,结果表明良好的衬底表面状态和适当生长温度是制备高质量外延材料的首要条件。通过优化分子束外延的生长参数及工艺技术,生长出了质量较高的InGaAs、InAlAs、InGaAlAs、InGaAsSb单晶体材料。在以上工作基础上,初步生长了InGaAlAs/InGaAsSb单量子阱结构,并研究了其发光特性,为制备高性能的激光器打下了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 引言
• 第二章 文献综述
• §2.1 半导体激光器简介
• §2.2 锑化物半导体激光器研究进展
• 第三章 分子束外延（MBE）技术简介
• §3.1 引言
• §3.2 分子束外延技术的优点
• §3.3 分子束外延生长的影响因素
• §3.4 分子束外延生长的基本过程
• 第四章 2μm InGaAlAs/InGaAsSb应变量子阱激光器设计与优化
• §4.1 引言
• §4.2 Ⅲ-Ⅴ族锑化物材料基本参数计算
• §4.3 一维有限深方形阱的薛定谔方程求解
• §4.4 InGaAlAs/InGaAsSb应变量子阱激光器的带间跃迁近似计算
• §4.5 InGaAlAs/InGaAsSb应变量子阱激光器结构设计
• 第五章 InP基激光器材料的MBE生长与测试表征
• §5.1 V80H分子束外延设备概述
• §5.2 材料的测试表征方法
• §5.3 InP基锑化物材料的扫描电镜（SEM）研究
• §5.4 InP基锑化物材料的X射线光电子能谱（XPS）研究
• §5.5 InP基锑化物材料的X射线衍射（XRD）研究
• §5.6 InGaAsSb材料的生长和测试表征
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献