808nm InGaAlAs垂直腔面发射激光器的结构设计

为实现垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)在808 nm波长的激射,对VCSEL芯片的整体结构进行了设计。基于应变量子阱的能带理论、固体模型理论、克龙尼克-潘纳模型和光学传输矩阵方法,计算了压应变InGaAlAs量子阱的带隙、带阶、量子化子能级以及分布布拉格反射镜(DBR)的反射谱,从而确定了量子阱的组分、厚度以及反射镜的对数。数值模拟的结果表明,阱宽为6 nm的In0.14Ga0.74Al0.12As/Al0.3Ga0.7As量子阱,在室温下激射波长在800 nm左右,其峰值材料增益在工作温度下达到4000 cm-1;渐变层为20 nm的Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As DBR,出光p面为23对时反射率为99.57%,全反射n面为39.5对时反射率为99.94%。设计的顶发射VCSEL结构通过光电集成专业软件(PICS3D)验证,得到室温下的光谱中心波长在800 nm处,证实了结构设计的正确性。     

隧道再生结构的垂直腔面发射激光器激射特性研究

对隧道再生多有源区内腔接触式垂直腔面发射激光器(VCSEL)材料特性进行了实验研究,得到了VCSEL外延片量子阱增益谱峰值波长、谐振腔谐振波长、DBR反射谱中心波长及材料的生长厚度偏差等重要信息。如果谐振腔谐振波长比增益谱峰值波长长20nm以上,阈值条件很难得到满足,器件很难实现激射。符合模拟参数生长的双有源区隧道再生VCSEL实现了室温激射。氧化孔径8.3μm器件,在11mA注入电流下,获得5mW的输出功率,斜率效率0.702mW/mA,激射波长970nm。     

隧道再生多有源区垂直腔面发射激光器光学特性研究

文章对隧道再生两个有源区内腔接触式垂直腔面发射激光器(VCSEL)光学特进行了研究。主要包括:通过纵向光场分布模拟分析了驻波效应;测量得到了VCSEL外延片量子阱增益谱峰值波长、谐振腔谐振波长、分布布喇格反射器(DBR)反射谱中心波长及材料的生长厚度偏差等重要信息,并结合增益谱,对该外延片制备的器件不激射的原因进行了分析解释。此外,对该外延片边发射模式特性进行模拟计算,由于DBR结构的存在,此结构的光场强度分布明显不同于普通的边发射激光器,模拟得到的远场发散角与测量结果相吻合。     

垂直腔面发射激光器DBR的生长优化

基于能带理论和分布布拉格反射镜(DBR)的工作原理,分析了垂直腔面发射激光器(VCSEL)中DBR串联电阻较大的原因。采用组分渐变降低DBR结构中异质结界面处势垒,优化DBR的各层掺杂浓度,通过调控费米能级进一步降低DBR中的异质结势垒,从而有效降低DBR串联电阻。实验采用Al_(0.22)Ga_(0.78)As/Al_(0.9)Ga_(0.1)As作为生长DBR的两种材料,设计了DBR各层厚度,研究了AlGaAs材料的最佳生长温度,利用MOCVD外延技术完成了795nm VCSEL突变DBR与渐变DBR的生长。经过工艺制备,测得突变DBR和渐变DBR的电阻分别为6.6和5.3Ω,优化生长后的DBR电阻得到有效降低。     

一种850nm氧化限制型垂直腔面发射激光器的设计

采用PICS3D软件建立了850 nm氧化限制型垂直腔面发射激光器(VCSEL)的仿真模型,通过优化量子阱有源区的阱和垒的个数、合理选取分布式布拉格反射镜(DBR)的材料以及对数,设计了一种850 nm氧化限制型VCSEL.在10μm氧化孔径下,与商用的850 nm氧化限制型VCSEL相比,其阈值电流从1.8mA降至1.5mA,斜率效率从0.3 W/A提升到0.65 W/A.     

利用边发射光致发光谱研究垂直腔面发射激光器材料的特性

在室温下测量了GaInP/AlGaInP垂直腔面发射激光器(VCSEL)的光致发光谱和反射谱.通过反射谱测量可以很容易得到激光器的腔模波长.但是用通常的背散射配置不能测得与有源区中量子阱有关的光致发光信号.用边激发配置可以测到量子阱的光致发光谱,但这样测得的光谱已经受到激光器中的分布布拉格反射镜(DBR)的调制.采用腐蚀去上DBR层的方法可以在背散射配置下测得量子阱的光致发光谱,但仍无法避免下DBR层对发光谱的调制作用.从而只有采用边激发 边发射模式才能测得VCSEL中量子阱的真实的光致发光谱.     

利用边发射光致发光谱研究垂直腔面发射激光器材料的特性

在室温下测量了GaInP/AlGaInP垂直腔面发射激光器(VCSEL)的光致发光谱和反射谱.通过反射谱测量可以很容易得到激光器的腔模波长.但是用通常的背散射配置不能测得与有源区中量子阱有关的光致发光信号.用边激发配置可以测到量子阱的光致发光谱,但这样测得的光谱已经受到激光器中的分布布拉格反射镜(DBR)的调制.采用腐蚀去上DBR层的方法可以在背散射配置下测得量子阱的光致发光谱,但仍无法避免下DBR层对发光谱的调制作用.从而只有采用边激发-边发射模式才能测得VCSEL中量子阱的真实的光致发光谱.     

微透镜集成大功率垂直腔面发射激光器

为了改善大功率垂直腔面发射激光器(VCSEL)的模式特性,在GaAs衬底上采用限制扩散湿法刻蚀技术制作出了不同曲率半径的微透镜,与P型和N型分布式布拉格反射镜(DBR)构成复合腔结构,可以对腔内模式进行选择.有源区采用新型的发射波长为980 nm的InGaAs/GaAs应变量子阱,包括9对In0.2Ga0.8As(6 nm)/Ga0.18As.82P(8 nm)量子阱,有源区直径100μm,微透镜直径300 μm,曲率半径959.81μm,表面粗糙度13 nm.室温下,器件连续输出功率大于180 mW,阈值电流200 mA,远场发散角半角宽度分别为7.8°和8.4°,并且与没有微透镜的垂直腔而发射激光器输出特性进行了比较.     

键合方法研制InAsP/InGaAsP量子阱1.3μm垂直腔面发射激光器

设计并研制了由InAsP/InGaAsP应变补偿多量子阱有源层、SiO2/TiO2介质薄膜和GaAs/Al(Ga)As半导体分布布拉格反射镜(DBR)构成的垂直腔面发射激光器(VCSEL).采用直接键合技术实现InP基有源层与GaAs基DBR的晶片融合,并经过侧向湿法腐蚀定义电流限制孔径和沉积介质薄膜DBR等关键器件工艺,研制出InAsP/InGaAsP量子阱垂直腔面发射激光器,其阈值电流为13.5mA,单模激射波长为1288.6nm.     

半导体、准分子激光器

本文报导作者在美国佛罗里达大学用MBE生长技术研制品格匹配的Al_x Ga_(1-x)As/GaAs单量子阱激光器,波长为820～850nm和In_x Ga_(1-x)As/GaAs应变层单量子阱激光器,波长为900～1100nm,通过理论分析和MBE生     

增厚DBR型894nm窄线宽VCSEL

垂直腔面发射激光器(VCSEL)是芯片级原子钟(CSAC)的主流光源,其光束质量会影响CSAC的各项性能。扩展VCSEL内部有效腔长能够以压缩冷腔线宽的方式压窄器件最终辐射激光的线宽,从而可以减小CSAC短时间内的计时频率噪声。根据所计算的VCSEL表面反射谱,将VCSEL中4层下分布式布拉格反射镜(DBR)的厚度由常规的四分之一波长增加至404 nm,压缩了VCSEL冷腔线宽,并生长了对应的外延结构,制备了通过增厚DBR扩展有效腔长的894 nm窄线宽VCSEL。测试结果表明,研制的VCSEL在90℃下波长为893.1 nm,功率为0.335 mW,线宽约为32 MHz,且具有稳定的偏振特性。     

980nm垂直腔面发射激光器的外延生长

模拟了垂直腔面发射激光器(VCSEL)的反射谱和量子阱增益谱,采用金属有机物化学气相沉积设备外延生长了980 nm的垂直腔面发射激光器,制作了氧化孔径为14 μm的内腔式氧化限制型VCSEL器件,其阈值电流为3.3mA,阈值电压为1.8V,斜率效率为0.387 W/A,室温直流电流为22.8 mA时,输出光功率为5 mW.     

增益-腔模失配型高温工作垂直腔面发射半导体激光器

理论分析了温度对垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)工作性能的影响,利用VCSEL的增益-腔模失配理论设计了适用于高温环境下工作的VCSEL外延结构并对该结构进行了外延生长及工艺制备。理论分析表明,采用势垒高度大于0.25eV的量子阱有源区结构可以缓解高温工作时器件的载流子泄漏问题。设计了室温下增益-腔模偏离为11nm的器件结构。理论分析表明,在320K时与器件腔模对应的增益谱波长具有最大的光增益,此时器件具有最小的阈值电流。对分布式布拉格反射镜(DBR)的反射率进行了优化以进一步减小器件阈值电流。采用了一种自平坦化的台面工艺结构制作了7、9、13μm三种不同氧化口径的器件,器件在室温下的阈值电流分别为1.95、2.53、2.9mA,最大出光功率分别为0.31、1.11、1.04mW,并且输出功率的高温稳定性较好。随工作温度的升高,器件阈值电流先减小后变大,在320～330K时器件阈值达到最小值,与理论分析一致。     

980nm大功率半导体激光器的MOCVD外延生长条件优化

为了对980 nm大功率半导体激光器的波导层和有源层外延材料进行快速表征,设计了相应的双异质结(DH)结构和量子阱(QW)结构,并在不同条件下进行了MOCVD外延生长,通过室温荧光谱测试分析,得到Alo.1Ga0.9As波导层的最佳生长温度为675℃,InGaAs QW的最佳长温度为575℃.为了兼顾波导层需高温生长和QW层需低温生长的需求,提出在InGaAsQW附近引入Alo.1Gao.9As薄间隔层的变温停顿生长方法,通过优化间隔层的厚度,InGaAs QW在室温下的PL谱的峰值半高宽只有23 meV.基于优化的外延工艺参数,进行了980 nm大功率半导体激光器的外延生长,并制备了腔长4 mm、条宽95 μm的脊形器件.结果显示,在没有采取任何主动散热情况下,器件在30A注入电流下仍未出现腔面灾变损伤,输出功率达到23.6W.     

键合方法研制InAsP/InGaAsP量子阱1.3μm垂直腔面发射激光器

设计并研制了由InAsP/InGaAsP应变补偿多量子阱有源层、SiO2/TiO2介质薄膜和GaAs/Al(Ga)As半导体分布布拉格反射镜（DBR）构成的垂直腔面发射激光器（VCSEL) . 采用直接键合技术实现InP基有源层与GaAs基DBR的晶片融合,并经过侧向湿法腐蚀定义电流限制孔径和沉积介质薄膜DBR等关键器件工艺,研制出InAsP/InGaAsP量子阱垂直腔面发射激光器,其阈值电流为13.5mA,单模激射波长为1288.6nm.     

掩埋隧道结在长波长VCSEL结构中的应用

采用气态源分子束外延技术在InP(100)衬底上分别生长了δ掺杂的p -AlIn-As-n -InP和p -InP-n -InP两种隧道结结构,用电化学C-V和I-V特性曲线表征了载流子浓度和电学特性,发现p -AlInAs-n -InP隧道结性能优于p -InP-n -InP隧道结.在InP(100)衬底上生长了包含p -AlInAs-n -InP掩埋隧道结和多量子阱有源层的1.3μm垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构,测试得出其开启电压比普通的pin结VCSEL小,室温下其电致发光谱波长为1.29μm.     

高功率980nm垂直腔面发射激光器的温度特性

应变补偿量子阱结构因带宽大、增益高和波长漂移速度低等特点而成为近年来研究的热点.首次介绍了国内980 nm 高功率InGaAs/GaAsP应变补偿量子阱结构的垂直腔面发射激光器(VCSEL) 变温实验,测得脉冲条件下600 μm直径的器件在10-100℃温度范围内发射波长漂移速度为0.05 nm/K,阈值电流随温度变化呈现先缓慢下降后迅速上升的特性.结合VCSEL反射谱、PL谱和增益峰值波长漂移速度,对器件阈值电流特性进行了合理的分析和解释.连续工作状态下,测试得到器件峰值功率为1 W,根据波长与耗散功率的实验曲线及热阻计算公式,可估算出垂直腔面发射激光器热阻值为10 K/W.     

掩埋隧道结在长波长VCSEL结构中的应用

采用气态源分子束外延技术在InP(100)衬底上分别生长了δ掺杂的p+-AlIn-As-n+-InP和p+-InP-n+-InP两种隧道结结构,用电化学C-V和I-V特性曲线表征了载流子浓度和电学特性,发现p+-AlInAs-n+-InP隧道结性能优于p+-InP-n+-InP隧道结.在InP(100)衬底上生长了包含p+-AlInAs-n+-InP掩埋隧道结和多量子阱有源层的1.3μm垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构,测试得出其开启电压比普通的pin结VCSEL小,室温下其电致发光谱波长为1.29μm.     

应变In_xGa_(1-x)As/Al_(0.15)Ga_(0.85)As多量子阱的电光双稳

在垂直于异质界面电场存在的情况下,用光电流光谱学研究了分子束外延生长的应变 In_xGa_(1-x)As/Al_0.15Ga_0.85As 多量子阱的光学吸收性质。在体 GaAs 衬底透明的波长范围内,观察了量子限定斯塔克效应。室温下无须去除 GaAs 衬底,显示出自电光效应器件的光学双稳性。     

掩埋隧道结在长波长VCSEL结构中的应用

采用气态源分子束外延技术在InP(100）衬底上分别生长了δ掺杂的p+-AlIn-As-n+-InP和p+-InP-n+-InP两种隧道结结构，用电化学C-V和I-V特性曲线表征了载流子浓度和电学特性，发现p+-AlInAs-n+-InP隧道结性能优于p+-InP-n+-InP隧道结. 在InP(100）衬底上生长了包含p+-AlInAs-n+-InP掩埋隧道结和多量子阱有源层的1.3μm垂直腔面发射激光器（VCSEL）结构，测试得出其开启电压比普通的pin结VCSEL小，室温下其电致发光谱波长为1.29μm.