InAs/GaAs量子点半导体光放大器理论研究与量子点制备

论文摘要

半导体光放大器(SOA)在光放大和全光信号处理领域中的应用十分广泛,对其特性进行改善显得尤为重要。SOA中的各种特性本质上与有源区中载流子的带内和带间特性有关,而载流子的特性最终归结于有源区的能带结构。相比较与传统体材料和量子阱,量子点能在三个维度上对载流子进行限制,并使能级产生分裂,这种特性使量子点SOA具有了许多传统SOA所无法比拟的优势。本文从理论和实验两个方面对量子点及量子点SOA进行了研究。在理论方面,首先基于圆柱形量子点模型,利用k.p微扰法中的等效单带近似算法,在考虑了应变的情况下,计算了InAs/GaAs量子点的能带结构,分析了不同尺寸下量子点各能态的具体量子态。其次,研究了量子点中两种主要的载流子散射机制:纵波光学声子散射和俄歇散射,并分析了不同载流子浓度和温度下量子点中的超快效应,为量子点SOA的优化设计提供了指导。另一方面,提出了双电极量子点SOA结构,并基于量子点SOA的精确数值模型研究了双电极量子点SOA中的增益和相位特性,分析了前、后电极在不同注入电流密度的情况下量子点SOA中的载流子恢复机制。另外,利用PSPICE电路仿真软件建立了具有高收敛性,高运行效率的量子点SOA电路分节模型,模拟了量子点SOA中的增益饱和输出等特性,并将该模型运用到了基于SOA和光学滤波器、SOA和电吸收调制器的波长转换子系统中。在实验方面,利用金属有机化合物气相沉积技术对InAs/GaAs量子点的自组织生长进行了研究,分析了外延参数例如生长温度、生长时间和Ⅴ/Ⅲ对量子点形貌特性的影响,总结了相应的生长规律。最后,研究了InGaAs应力减小层对量子点形貌及发光特性的改善,为进一步提高量子点的生长质量打下了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 量子点简介
• 1.2 量子点半导体光放大器的发展概况
• 1.3 量子点SOA的制作方法及主要特点
• 1.4 本论文的篇章结构
• 2 量子点基本理论研究
• 2.1 量子点能带计算
• 2.2 量子点中的声子散射
• 2.3 量子点中的俄歇散射
• 2.4 本章小结
• 3 双电极量子点SOA研究
• 3.1 半导体光电器件中的多电极结构
• 3.2 双电极量子点SOA理论模型
• 3.3 双电极量子点SOA的增益和相位特性
• 3.4 本章小结
• 4 基于量子点SOA电路模型的仿真
• 4.1 半导体光电器件的电路模型
• 4.2 量子点SOA的电路模型
• 4.3 量子点SOA电路模型的应用
• 4.4 本章小结
• 5 InAs/GaAs量子点的自组织生长
• 5.1 量子点MOCVD外延生长
• 5.2 InAs/GaAs量子点形貌研究
• 5.3 含有InGaAs应力减少层的InAs量子点的发光特性
• 5.4 本章小结
• 6 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读硕士学位期间发表的论文目录
• 附录2 量子点及量子点SOA理论计算参数表