长波长垂直腔面发射激光器材料与物理研究

论文摘要

本论文围绕长波长垂直腔面发射激光器进行器件设计、单元材料生长、器件结构材料生长及其表征。 从麦克斯韦方程得到了光的波动方程，通过电磁波在界面的连续性条件推导了多层介质膜的传输矩阵，得到了计算多层膜反射率谱的方法。研究了DBR不同角度入射光的反射率谱线及其截止带宽的变化。当入射角增大，TE模、TM模的反射光谱都向短波方向移动，TE模反射谱的截止带宽增加，而TM模反射谱的截止带宽减小。 研究了VCSEL的反射率谱线位置随光线入射角度、谐振腔的光学厚度以及DBR光学厚度的变化。VCSEL谐振腔的光学厚度变化时，反射谱的位置变化较小，腔模位置随谐振腔光学厚度变化而有较小线性变化；当DBR的光学厚度发生改变时，腔模位置随DBR光学厚度的变化有较大的线性变化，变化速率为1.75。DBR光学厚度变化比谐振腔光学厚度变化对VCSEL的性能有更大影响。结合传输矩阵和光的波动方程计算了DBR及VCSEL器件中的光场分布，研究了不同出射介质对VCSEL光场分布的影响，确定了出射面DBR和反射面DBR高低折射率材料的排列顺序。 考虑了光线入射到金属膜上时存在的相位变化，理论上计算了金膜的相位变化，并提出了相位匹配层（PML）。研究了反射率随不同相位匹配层厚度的变化，设计了一种具有高反射率的DBR+PML+Au复合腔镜，提高了反射谱截止带内的反射率。 通过气态源分子束外延（GSMBE）生长了压应变的InAsP单层材料和张应变的InGaAsP单层材料，采用XRD三轴两维Mapping表征了两种材料（004）面对称衍射和（224）面非对称衍射。通过分析得到InAsP体失配度为1.446％，[110]方向的弛豫度为93.84％，接近完全弛豫。InGaAsP的体失配度为-0.5849％，[110]方向的弛豫度为13.6％，[1-10]方向的弛豫度为42.8％。分析表明处于部分弛豫状态的材料，材料应变分布不均匀，并且沿不同方向有不同的弛豫度。采用GSMBE生长了1阱、2阱、3阱、5阱和8阱的InAsP／InGaAsP应变补偿量子阱（SC-MQWs），XRD摇摆曲线和光致发光谱（PL）表明应变补偿技术有效提高了量子阱的晶体质量，减少了位错密度，提高了发光特性。 生长了10对GaAs／AlGaAs DBR，通过模拟其XRD摇摆曲线和反射谱，得到了GaAs和AlGaAs的生长速率以及波长1310nm下的折射率，对设计值进行了修正。通过得到的参数生长了35对GaAs／AlGaAs DBR，并将其与PIN谐振腔进行键合，形成

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 第二章 文献综述
• 2.1 垂直腔面发射激光器（VCSEL）的结构及其特征
• 2.1.1 面发射激光器的基本结构
• 2.1.2 垂直腔面发射激光器的特点
• 2.2 垂直腔面发射激光器的材料
• 2.3 长波长垂直腔面发射激光器面临的技术问题及其研究进展
• 2.3.1 长波长VCSEL目前所面临的技术问题
• 2.3.2 1.3μm VCSEL的研究进展
• 2.3.3 1.55μm VCSEL的研究进展
• 2.3.4 1.55μm可调谐VCSEL的研究进展
• 2.4 本论文的主要研究内容
• 2.5 本章小结
• 第三章 VCSEL结构设计及理论研究
• 3.1 半导体材料折射率计算
• 3.2 电磁场的波动方程
• 3.3 VCSEL腔镜设计
• 3.3.1 DBR周期性结构的传输矩阵
• 3.3.2 DBR腔镜反射光谱特性研究
• 3.3.3 VCSEL反射光谱特性研究
• 3.3.4 VCSEL光场分布计算
• 3.3.5 高反射率DBR复合腔镜设计
• 3.4 失配材料临界厚度计算
• 3.5 本章小结
• 第四章 化合物半导体材料分子束外延（MBE）及XRD表征
• 4.1 GSMBE技术简介
• 4.2 MBE的原理及其特点
• 4.3 GSMBE材料生长
• 4.3.1 GSMBE系统介绍及其特点
• 4.3.2 GaAs基和InP基化合物半导体材料的生长准备
• 4.4 外延层材料高分辨率X射线衍射研究（HRXRD）
• 4.4.1 高分辨率X射线衍射仪介绍
• 4.4.2 X射线衍射原理及倒空间分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 VCSEL材料生长及表征
• 5.1 GSMBE生长InAsP／InGaAsP应变补偿多量子阱及表征
• 5.1.1 压应变InAsP和张应变InGaAsP单层材料XRD研究
• 5.1.2 InAsP／InGaAsP应变补偿多量子阱的生长及表征
• 5.2 GaAs／AlGaAs DBR生长及其表征
• 5.2.1 10对GaAs／AlGaAs DBR的XRD与反射谱表征
• 5.2.2 35对GaAs／AlGaAs DBR的反射谱表征
• 5.2.3 键合结构PL谱及反射谱表征
• 5.3 AlInP／InGaAsP应变补偿多层异质结构的GSMBE生长及其表征
• 5.3.1 AlInP／InGaAsP应变补偿多层异质结构的GSMBE生长
• 5.3.2 AlInP／InGaAsP应变补偿多层异质结构的EPD及SIMS研究
• 5.3.3 AlInP／InGaAsP应变补偿多层异质结构XRD研究
• 5.3.4 AlInP／InGaAsP应变补偿多层异质结构PL研究
• 5.4 VCSEL器件GSMBE生长及其表征
• 5.4.1 InGaAsP／InP DBR生长及其表征
• 5.4.2 1.31μm全外延VCSEL材料、器件及其表征
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 发表论文及申请专利目录
• 致谢
• 作者简历