论文部分内容阅读
分布反馈(distributed feedback，DFB)激光器因其单纵模、窄线宽、可高速调制等特性，已经在光纤通信、固体激光器泵浦源和激光显示SHG倍频光源等领域获得了广泛的应用。GaSb基量子阱激光器的激射波长位于2-5μm这一大气窗口，包含了很多气体分子的特征谱线;工作在这个波段的GaSb基DFB激光器可以广泛应用于气体检测、大气污染检测等领域中，而大功率的FP激光器有望在光电对抗、激光医疗等领域中取得很好的应用。本文系统地研究了2μm波段GaSb基侧边耦合分布反馈(laterally coupled distributed feedback，LC-DFB)激光器的理论基础及器件制备，同时优化制备了大功率的GaSb基2.1μm及2.4μmFP腔激光器并分析了其欧姆接触和热特性。本文的主要研究内容如下: 1.基于改进的耦合波理论仿真计算了不同结构参数的GaSb基DFB激光器的光栅耦合系数，通过优化分析侧边耦合光栅周期、厚度、脊条波导宽度等参数，得到了光栅耦合系数最优（使光栅达到最佳耦合效果）时的侧边耦合分布反馈激光器的结构，从而为器件的制备提供理论基础和工艺指导。 2.开展了百纳米级光栅的工艺制备工作。利用全息曝光及电子束曝光方法分别进行了光栅的制备实验，其中全息曝光具有成本低、工艺简单的有点，在平坦的样品表面制备了高深宽比的刻蚀光栅，适于制备深光栅的DFB激光器;利用电子束曝光曝光图形精确可控、易曝透脊台底部厚堆胶的优点，通过两次曝光修正方法，制备了严格贴近脊条波导并降低曝光时间的侧边耦合金属光栅，为制备GaSb基LC-DFB激光器提供了良好的实验基础。 3.利用MBE生长的2μm波长GaSb基激光器外延材料，以理论计算得到的最优结构为指导，并利用电子束曝光工艺进行器件制备实验，成功制备了高性能的2μm波段GaSb基LC-DFB激光器，所制备的器件阈值电流约50mA，并在室温下可得到11 mW的单模连续功率输出，得到的最高边模抑制比达到28.5 dB，并在很大的电流范围内均保持单纵模输出特性。 4.基于原有的GaSb基激光器外延材料，通过理论分析波导层AlGaAsSb中Al组分对光场限制因子及材料电导的影响，对材料进行了优化，同时通过调整有源区GaInAsSb中的In组分，将激射波长延伸到2.1μm及2.4μm，通过改善器件工艺中的欧姆接触工艺，降低了器件的串联电阻，从而使器件的工作电压降低，最终制备了大功率的FP腔激光器。其中2.1μm器件的室温最大连续输出功率达到615 mW，2.4μm器件则达到了232 mW，光电转换效率相比于原有器件均有很大提高，工作电压也相应降低。 5.针对大功率FP腔激光器高电压、发热大的现象，系统分析了宽条2.1μm和2.4μm GaSb基激光器的热特性，通过电学瞬态法测试了器件在不同的输入电流下器件热阻及结温升的变化;同时利用ANSYS软件的Thermal模块，通过有限元方法对GaSb基激光器的热特性进行了模拟，得到了器件的三维热分布图，得到的模拟结果与测试结果非常相符，这为激光器下一步热学上的优化提供了很好的基础。 6.系统研究了GaSb、GaAs等半导体材料的欧姆接触，通过矩形传输线法测定了不同材料在不同的金属电极和不同的退火条件下的欧姆接触电阻率，同时深入研究了n型GaSb欧姆接触在退火后出现的独特的“变白”现象，通过扫描电子显微镜(SEM)观测和能谱分析，探究了得到低接触电阻率的n型GaSb欧姆接触的关键因素。