包玲[1]2000年在《GaAs基大功率半导体激光器和高亮度发光二极管特性分析》文中认为半导体激光器是光电子产业中最重要的组成部分，是继大规模集成电路之后，信息高技术领域中最有发展前途的产品之一。半导体发光管（LED）则是半导体光电子显示的核心器件。普通大功率半导体激光器存在着比较严重的发热问题，特别是腔面灾变性损伤（COD）和大电流工作下的焦耳热，限制了半导体激光器功率的进一步提高。除此之外，大功率半导体激光器光束质量差、发光效率较低，也大大影响了半导体激光器的工作特性，限制了半导体激光器的应用。普通高亮度发光二极管也同样存在着大电流工作下的严重发热问题，同时，现有提高亮度的关键技术成本高、工艺复杂也是制约高亮度发光二极管亮度进一步提高的因素之一。 在GaAs基大功率半导体激光器方面，首先较详细地介绍了沈教授提出的新型多有源区隧道再生量子阱激光器的机理和意义。沈教授提出的新型多有源区隧道再生量子阱激光器突破了内量子效率≤1的限制，可以在工作电流不变的情况下成倍地提高激光器的发光效率，因此输出功率的提高并没有显著增加焦耳热；并且多个独立的有源区通过隧道结耦合可以显著地增大腔面发光面积，提高了COD水平，改善了远场对称性，提高了模式稳定性。其次对新结构中的重要组成部分——隧道结的光学、电学、热学特性也进行了较详尽的理论分析和实验测试，其中重点考虑了将隧道结引入激光器可能产生的影响。然后对制备出的C掺杂普通单有源区InGaAs量子阱激光器LD8和C掺杂新型双有源区隧道再生InGaAs量子阱激光器LD11、三有源区隧道再生InGaAs量子阱激光器LD12、LD13、LD14的光学、电学、热学特性进行了详细的实验测试和理论分析。我们制备出的100μm脊形微腐蚀结构激光器具有很高的效率，双有源区、三有源区隧道再生量子阱激光器的内量子效率已经远远超过了1。从器件的角度验证了沈教授提出的新型多有源区隧道再生量子阱激光器的可行 河北工业大学硕士研究生学位论文性。将新型多有源区隧道再生量子阶激光器的电学、光学、热学特性与性能良好的C掺杂普通InGGs单有源区量子阶激光器进行了对比，重点分析了目前新型多有源区隧道再生量子阶激光器中存在的一些问题。最后简单介绍了激光器的制备工艺，对工艺中存在的一些问题进行了分析和讨论。在详细分析单有源区量子阶激光器阈值电流的基础上推导了新型多有源区隧道再生量子阶激光器中的阈值电流，得到了与实验结果吻合的很好的计算结果。我们设计的深腐蚀工艺可以得到很低的闽值电流，沟台深腐蚀结构新型三有源区隧道再生量子阶激光器的阈值电流甚至比微腐蚀结构普通单有源区量子阶激光器的阈值电流还低。 在GaAs基高亮度发光二极管方面，以目前最亮的AIGalnP高亮度发光二极管为研究重点，首先对AIGalnP发光二极管的光学、电学、热学特性进行了分析。通过对影响发光二极管高亮度的若干因素的分析，得到了设计工作所需的关键参数。然后简单介绍了发光二极管的制备工艺。我们借助美国EMCORE公司和中科院半导体研究所的先进MOCVD生长条件，自己摸索出了一套适合于目前实验室条件的工艺制备方法，制备出了轴向发光强度高达3—sod的高亮度AIGalnP发光二极管。同时对目前工艺中存在的一些问题进行了分析和讨论。使用实验测试和理论分析手段，得到了工艺稳定的条件，为下一步新型器件的研究奠定了基础。
杨晔[2]2011年在《高亮度大功率半导体激光器研究》文中进行了进一步梳理高亮度大功率半导体激光器是固体激光器和光纤激光器的理想泵源,并广泛应用于材料加工、自由空间通讯、医疗等领域。其中,高亮度锥形激光器以其制备工艺简单、输出功率高、光束质量好等优点,成为半导体激光器领域研究的热点。本论文优化设计制备了808nm大功率半导体激光器阵列,并针对军事中光电对抗的需求,对具有低红暴优势的850nm高亮度锥形半导体激光器进行了研究。本论文的主要研究内容和研究成果如下:1.优化设计了大功率半导体激光器阵列的电光隔离结构,通过Crosslight3D软件对器件的侧向电流分布进行了数值模拟,并运用电流扩展原理进行理论分析,证明了在激光器阵列中的脊形台面和隔离沟道结构有利于限制载流子的侧向扩散。采用波长为808nm的梯度折射率波导分别限制增益量子阱结构(GIRN-SCH-SQW)的GaAs/AlGaAs材料制备具有不同沟道深度的半导体激光器线阵列,比较了引入脊形台面和隔离沟道前后及沟道深度不同时,阵列的阈值电流、输出功率、电光转换效率、光谱特性等方面性能,证明了隔离沟道的引入和加深有效的减少了载流子的侧向扩散,增强了光子的限制,从而提高了半导体激光器阵列的光电特性。2.采用AlGaInAs/AlGaAs GIRN-SCH-SQW结构的外延材料,研制出具有低红暴优势的850nm高亮度大功率锥形半导体激光器,对脊形区宽度、腐蚀深度、锥形角度的结构参数进行了优化设计,并在锥形激光器结构中引入腔破坏凹槽,以克制自聚焦现象的发生。我们制备了总腔长为2.5mm,脊形波导区长度Lrw分别为750μm、1000μm和1250μm的三种锥形激光器,通过对电流功率曲线的测试和分析,证明了较短的脊形波导不容易发生光学灾变损伤,更适合于大功率的锥形激光器。对于Lrw为750μm的850nm锥形激光器,阈值电流密度仅为490.2A/cm2,当外加3A的脉冲电流(t=50μs, f=100 Hz)时,功率达到1.4W,此时斜率效率达到0.58W/A,电光转换效率为30%。3.采用国际标准ISO11146中的刀口法测量了850nm锥形半导体激光器的光束质量因子M~2,通过测量锥形激光器经透镜聚焦后光束传播方向上不同位置的光束半径,拟合出光束的高斯分布,找到束腰位置,得到光束的束腰半径和远场发散角,从而求出锥形激光器光束质量传播因子M~2。对于Lrw为750μm的850nm锥形激光器,连续输出功率为200mW时的光束质量因子为1.7,接近衍射极限,此时亮度高达16.3MW·cm-2·sr~(-1);连续输出功率为1W时的光束质量因子为2.8,亮度为9.9MW·cm-2·sr~(-1)。4.采用相同的材料结构,制备了具有相同发光条宽度125μm、相同腔长2.5mm的传统宽面条形激光器和锥形激光器,并对二者性能进行了比较。当输入脉冲电流(t=50μs, f=100Hz)同为3A时,传统激光器的输出功率为1.59W,锥形激光器为1.40W,二者均实现大功率输出。当连续输出功率同为1W时,传统激光器的发散角为6°,光束质量因子M~2为9.2,而锥形激光器的发散角仅为4°,M~2因子仅为2.8,是条形激光器的三分之一,此时锥形激光器的亮度也是传统激光器的3倍多。这说明了锥形激光器在光束质量和亮度上优于宽面条形激光器。
张建[3]2013年在《GaAs基近红外半导体激光器的设计、生长和制备研究》文中指出经历了数十年的发展，GaAs基近红外半导体激光器的制造技术不断成熟化，器件性能不断提高，与此同时人们对近红外半导体激光器的需求也在多样化。国内半导体激光器研究在最近十年取得了长足的进步但仍然明显落后于国外，其不足主要体现在高性能激光器外延结构的设计和材料生长方面。本文针对高功率近红外边发射激光器(EEL)和铷原子钟专用795nm垂直腔表面发射激光器（VCSEL）的性能要求，从材料生长与器件损耗、波导结构与功率、量子阱增益与腔模等方面提出了系列优化方案并对出相应器件性能进行了分析。高功率边发射激光器的功率限制因素主要在于电光转换效率和腔面损伤阈值。激光器外延层结构直接决定了器件内部损耗、光学增益、量子效率、光斑横向尺寸（模式分布），因此外延层结构优化是边发射激光器功率提高的关键所在。本文在固定的外延结构上优化了掺杂分布，外延生长的808nm器件材料损耗降低到2cm-1；通过优化渐变宽波导大光腔结构增加了横向模式尺寸，使得器件发散角从43°降低到32°，同时腔面损伤功率提高；计算了不同模式的限制因子随波导结构的变化，设计折射率非对称分布的横向外延层结构，在保证低阶模式激射的条件下有效减少了载流子泄露提高了量子效率。实验制备的未镀膜两面出光的815nm器件单边出光斜率效率达到0.59W/A，镀膜后效率达到1.1W/A，未封装器件准连续电流下可达到7W。用于微型化铷原子钟的高温工作794.7nm VCSEL在功耗、光谱性能和器件封装等方面的需求均比普通VCSEL苛刻得多。本文采用Pics3D软件设计了基于InAlGaAs应变量子阱的794.7nmVCSEL，通过优化量子阱光学增益和设计高温匹配的增益峰值与腔模，尺寸为3μm的优化结构器件可在80oC下工作，2.4mA电流下输出功率超过1mW，调制带宽超过10GHz。在材料生长方面，采用低速生长和界面钝化的方法抑制了界面In原子扩散，得到高质量的InAlGaAs应变多量子阱，光致发光谱半宽仅为13nm；采用行星旋转模式生长了自主设计的795nm VCSEL外延结构，2英寸GaAs外延片中腔模波长范围为792.5-788nm，整片均匀性低于1%。采用湿法腐蚀和选择性氧化工艺制作的大口径（75μm-95μm）795nm器件在室温下功率超过15mW，在52oC环境下的激射光谱为794.7nm，对应铷原子钟跃迁能级中心，器件最高工作温度超过80oC。
乔忠良[4]2011年在《高亮度大功率半导体激光器研究》文中进行了进一步梳理半导体激光器广泛应用于军事、工业、航空、航天等关系国家竞争力的关键领域。而宽条形半导体激光器具有制备工艺简单、输出功率大、电光效率高、可靠性好等优点。一直以来,不但是各相关应用领域主要使用的器件类型,更是实现大功率、高亮度半导体激光器器件的主要研究类型。然而由于其慢轴方向输出光束质量极易受到空间烧孔、自聚焦、热透镜等效应的影响,致使其在高功率工作条件下,输出的慢轴方向发散角较大。这严重影响了器件在慢轴方向的光束质量,制约了相关领域的应用与发展。本论文主要针对宽条形半导体激光器的光束输出特点展开研究。主要内容和研究成果如下：1.总结并分析了高亮度大功率半导体激光器的输出特点,得到影响器件高亮度输出的相关物理因素,为设计和制备该类型器件提供了必要的理论依据。2.建立了大功率宽条形半导体激光器基本物理模型,进行了相应理论分析和初步计算。从提高宽条形大功率半导体激光器输出功率的主要方法与设计原理,得到了改善大功率半导体激光器光束质量的主要方法与设计依据。分析了宽条形激光器波导中光束传播特性及多光丝、高阶模产生机理。从材料外延结构设计、器件后工艺制备、器件结构设计等方面阐述了提高其输出特性的方法。3.对高亮度大功率半导体激光器工艺进行了理论、工艺研究,包括外延结构的设计、激光器后工艺研究、封装工艺研究等。对器件欧姆接触、腔面膜、钝化工艺的设计及其制备进行了较详细的研究。设计了非对称梯度分布大光腔波导的外延结构,改善了器件的串联电阻和快轴方向输出光束质量。首次采用A1N腔面膜工艺、氮钝化工艺,与AuSn焊料封装工艺结合,改善了808nm宽条形半导体激光器的热特性和大功率输出能力,使得最大输出功率(腔长1mm,注入区宽度100μm)从2W达到3.5 W,抗COD能力提高75%。4.根据光丝混叠原理,首次研制出了带有模式滤波器结构的AIGaAs/GaAs 808nm大功率高亮度宽条形半导体激光器。根据注入区内慢轴方向光丝光场模式的理论,采用传统单量子阱结构,设计并制备了带有一个模式滤波器结构不同滤波器位置的宽条形半导体激光器(腔长11mm,100×500μm滤波器尺寸),对比分析了器件的P-I特性、欧姆特性、慢轴方向发散角,得到模式滤波器结构的无源平板波导在器件中间位置的模式选择性最好。在连续电流驱动下,器件最大输出功率达3W;在连续输出2.5 W时的慢轴光束发散角为3.3°,接近同等输出功率条件下器件亮度的三倍；优化设计了无吸收模式滤波器结构的宽条形半导体激光器,比较了该器件与传统器件的热特性,对比传统器件115 K的特征温度,新结构器件实现了154 K的特征温度。
杨景海[5]2006年在《Ⅲ-V族化合物半导体材料GaN外延膜和InAs量子点的制备及光学特性研究》文中提出本文主要对GaN外延膜和InAs量子点等两种Ⅲ-V族化合物半导体材料进行研究。采用分子束外延系统生长样品,完善制备工艺,并研究其发光特性。对GaN外延膜进行研究。采用EPI930固态源分子束外延系统在蓝宝石衬底上生长GaN外延膜。一方面,摸索GaN在蓝宝石衬底上初始外延生长的最佳条件,优化薄膜生长工艺参数,获得具有良好晶质的GaN外延层,并研究不同生长条件下样品的光学特性及其发光机制。另一方面是研究低Al掺杂对GaN外延层光电特性及表面形貌的影响,并通过光致发光,霍尔效应和高分辨率SEM等测量方法来确定GaN外延层的质量。研究结果表明,改变Ga的流量,氮气净化和采用AlN做缓冲层可以逐步改善样品的表面形貌及发光性能。当在GaN外延膜中掺入0.11%Al时,GaN:Al薄膜粗糙度最小,具有最低的自由电子浓度(3×1017cm-3)和最高的电子迁移率(140V.s/cm2)。对InAs量子点进行研究。利用EPI930固态源分子束外延系统在(001)GaAs衬底上生长一系列InAs样品,分别研究InxGa1-xAs盖层,InxAl1-xAs隧道阻挡层,以及In0.1AlxGa0.9-xAs缓冲层Al掺杂量和In0.2Al0.8As盖层厚度对量子点发光效率和发光强度的影响,并通过组成成分和厚度的调谐,使其发射波长接近1.3μm。研究结果表明,用InxGa1-xAs层覆盖量子点,通过分析InAs量子点的光发射,证实在GaAs层、接近InAs量子点的区域以及浸润层里确实存在着无辐射中心,而且氢钝化对无辐射中心起到抑制作用。在InAs量子点和覆盖层之间插入In0.2Al0.8As隧道阻挡层,不仅可以抑制界面缺陷,减少无辐射中心的数量,提高发光效率,使发光强度
牛健[6]2004年在《MOCVD生长量子阱激光器材料及结构的优化设计》文中进行了进一步梳理大功率半导体量子阱激光器是一种性能优越的发光器件，具有寿命长、阈值电流密度低、效率高、亮度高以及良好的单色性、相干性、方向性等特点，广泛应用于军事、工业加工、通信及信息处理、医疗保健等领域。材料的外延生长是整个激光器器件制作的基础，对器件的光学和电学性能有着重要的影响，生长不出优质的材料体系，获得高性能的器件就无从谈起，因此，材料的外延生长便成为了整个半导体激光器制作过程之中的重中之重。MOCVD外延生长技术是目前发展水平较为成熟、外延质量较高的一种外延生长方法，对MOCVD技术的研究也成为了国内外研究的重点。目前，中国电子科技集团第十三研究所光电专业部拥有具有世界先进水平的AIX7RON-2000型MOCVD外延生长设备，并且在量子阱激光器的研究中获得过大量的研究成果，有着丰富的实践经验，因此，保证了对MOCVD外延技术研究的理论及实验条件。 本文对发光波长为940nm的量子阱激光器材料结构进行了设计，采用分别限制异质单量子阱(SCH-SQW)结构、In_(0.15)Ga_(0.85)As量子阱，阱宽经计算得80。然后在不同的有源区生长温度、Ⅴ/Ⅲ比、掺杂方式及浓度情况下对激光器材料进行外延生长，并利用光荧光(PL)技术对不同生长条件下外延材料的光致发光特性进行了测试对比，结果表明在下列条件下生长出来的材料具有更好的光学和电学性能：有源区生长温度在700℃、波导层Ⅴ/Ⅲ比选择为60、n型波导渐变掺杂190sccm-590sccm的SiH_4、p型波导渐变掺杂90sccm-490sccm的DMZn。 另外本文还对光波导模式理论进行了理论分析和计算，得到了量子阱激光器光场分布的波动方程，利用逐步逼近的方法推导出了远场分布的数值模型，通过计算机软件模拟出了激光器远近场分布图，并利用模式扩展层对光场的限制作用得到了窄远场发散角(约为21°)的量子阱激光器材料结构。对于本文中采用的分别限制单量子阱发光波长940nm半导体激光器的波导结构，利用该理论方法进行模拟对比后，得到当波导层Al组分为0.25宽度为150nm时远场发散角为35.8°，较以往有很大的改善。 在确定了MOCVD生长940nm量子阱激光器材料的最佳生长参数和结构参数后，我们将这些结果应用于激光器的制作，经过一系列工艺过程，得到条长1cm的半导体激光器阵列。在脉冲频率500Hz，脉冲宽度100μs，占空比5％的条件下，单条输出光功率室温高达106.3W，斜率效率达到1.019W/A，光电转化效率最高达到43.3％，远场角37.1°，略高于模拟值。
贾鹏[7]2015年在《基于高阶光栅的高功率单纵模半导体激光器研究》文中认为高阶光栅单纵模半导体激光器是一种新型的单纵模半导体激光器,它是一种通过在普通法布里-珀罗腔激光器的光波导上引入周期性折射率微扰对激光器的纵向模式进行选择,实现稳定单纵模工作的激光器。这种激光器可有效的解决传统边发射激光器所面临的多纵模激光输出等问题。另外,由于高阶表面光栅的制备工艺简单、性能稳定,使其适用于与其它光电子器件进行单片集成,这种新型激光器件具有广阔的应用前景。本文主要针对高阶光栅单纵模半导体激光器进行了光栅结构设计、器件制备及测试分析,具体的研究内容和结果如下:(1)采用传输矩阵理论和散射理论的方法对高阶光栅单纵模半导体激光器光波导结构的光学特性进行了分析,获得了高阶光栅耦合光波导的设计和计算方法。(2)采用非对称大光腔波导激光器结构,制备的2 mm腔长、100μm条宽高阶光栅分布布拉格反射型(DBR)激光器单管,实现了连续输出功率213 m W、光谱线宽40 pm、边模抑制比达到42 d B的单纵模激射。(3)设计并制备了一种双波长高阶光栅分布布拉格反射型(DBR)激光器,其腔长为2 mm、条宽为100μm,在注入电流为1.2 A条件下,实现了单边连续输出功率88 m W双波长激射,双波长的3 d B线宽都为40 pm,边模抑制比分别为35 d B和39 d B,波长间隔不小于0.58 nm。并采用拉曼光谱测试技术对高阶光栅耦合半导体激光器的可靠性进行了分析。(4)采用非对称大光腔波导激光器结构,制备的2 mm腔长、100μm条宽高阶光栅分布反馈型(DFB)激光器单管,实现了单边连续输出功率144 m W、光谱线宽40 pm、边模抑制比达到29 d B的单纵模激射。(5)根据部分相干光理论,首次提出一种测试高功率单纵模半导体激光器空间相干度的方法,利用该方法对高功率单纵模半导体激光器的空间相干度进行测试,发现该方法测试出的空间相干度比传统方法误差最高小27倍。又设计并制备一种高功率三角形VCSEL列阵,对其空间相干特性进行了定量的研究。
参考文献：
[1]. GaAs基大功率半导体激光器和高亮度发光二极管特性分析[D]. 包玲. 河北工业大学. 2000
[2]. 高亮度大功率半导体激光器研究[D]. 杨晔. 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）. 2011
[3]. GaAs基近红外半导体激光器的设计、生长和制备研究[D]. 张建. 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）. 2013
[4]. 高亮度大功率半导体激光器研究[D]. 乔忠良. 长春理工大学. 2011
[5]. Ⅲ-V族化合物半导体材料GaN外延膜和InAs量子点的制备及光学特性研究[D]. 杨景海. 吉林大学. 2006
[6]. MOCVD生长量子阱激光器材料及结构的优化设计[D]. 牛健. 河北工业大学. 2004
[7]. 基于高阶光栅的高功率单纵模半导体激光器研究[D]. 贾鹏. 中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所). 2015
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