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1.55μm高速激光器材料结构设计及外延生长

作　者: 韩威
导　师: 陈国鹰；安振峰
学　校: 河北工业大学
专　业: 物理电子学
关键词: 高速半导体激光器应变多量子阱 MOCVD Pics3D X射线双晶衍射
分类号: TN248
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

高速调制半导体激光器作为光纤通讯最佳光源具有窄线宽、高边模抑制比、低阈值,并且具有良好的单色性、相干性和方向性。广泛应用于军事、通信及信息处理等领域。对由于高速半导体激光器来说,材料结构设计和外延生长是整个器件制作的基础,对器件的光学和电学性能有着重要的影响。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AIXTRON-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,保证了对高速半导体激光器研究的理论及实验条件。本文对1.55μm高速半导体激光器进行了设计制作。主要研究内容为材料结构的优化设计和计算机辅助模拟,以及材料的外延生长。研究还涉及到了器件的高速封装、测试。针对GaInAsP/InP材料体系的特性进行研究。通过对多量子阱应变理论的分析和计算,结合波长设计,给出了合适的应变量、材料组分。通过对材料的阈值和温度特性研究得到优化的腔长、阱数。对光波导模式理论进行了理论分析和计算,通过计算机模拟得出了激光器优化波导结构。给出基本的激光器外延结构,进行全结构的计算机模拟。对材料的增益、载流子输送、光场强度、光谱等特性进行了模拟并给出了最终的优化结构。通过对发光波长1.55μm的应变量子阱激光器的结构设计,采用分别限制异质多量子阱(SCH-MQW)结构。在不同的有源区生长温度、Ⅴ/Ⅲ比、掺杂浓度情况下对激光器材料进行外延生长,并利用X射线双晶衍射、电化学C-V、光荧光(PL)技术对不同生长条件下外延材料的特性进行了测试对比,得出优化外延条件。面对高速半导体激光器的高调制特性,为了降低器件的寄生电容,对不同电极、波导结构进行设计分析。通过最终的的调制特性分析,给出最佳的器件工艺结构。最终得到了中心波长1556.3nm、阈值电流12mA、3dB带宽8.5GHz(40mA下)的高速半导体激光器模块。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-6
目录  6-8
第一章绪论  8-11
  1-1 引言  8-10
  1-2 主要研究内容和方法  10-11
第二章高速半导体激光器结构设计和计算机模拟  11-34
  2-1 结构设计思路  11
  2-2 材料选择  11-12
  2-3 应变多量子阱激光器的波长设计  12-17
    2-3-1 应变量子阱介绍  12-13
    2-3-2 应变量计算  13-15
    2-3-3 应变多量子阱子能级计算  15-17
  2-4 有源区优化设计  17-19
  2-5 波导设计  19-23
    2-5-1 光波导理论介绍  19
    2-5-2 波导计算模型  19-21
    2-5-3 计算分析  21-23
  2-6 全结构模拟  23-33
    2-6-1 模拟软件介绍  24-25
    2-6-2 模拟结果及分析  25-33
  2-7 本章小结  33-34
第三章高速半导体激光器MOCVD外延试验  34-47
  3-1 MOCVD技术  34-37
    3-1-1 MOCVD介绍  34
    3-1-2 生长机理  34-36
    3-1-3 MOCVD设备介绍  36-37
  3-2 外延试验  37-46
    3-2-1 外延基本结构参数  37
    3-2-2 外延试验中的问题  37-40
    3-2-3 外延测试技术介绍  40-41
    3-2-4 单层材料外延试验  41-43
    3-2-5 掺杂试验  43-45
    3-2-6 全结构外延  45-46
  3-3 本章小结  46-47
第四章器件后续工艺及制作  47-51
  4-1 工艺流程设计  47
  4-2 重点工艺介绍  47-50
    4-2-1 化学动力减薄  47-48
    4-2-2 烧结、压焊  48
    4-2-3 组建组装  48-49
    4-2-4 电极设计  49
    4-2-5 脊形设计  49-50
  4-3 本章小结  50-51
第五章器件特性及分析  51-55
  5-1 光电特性分析  51-52
  5-2 调制特性分析  52-54
    5-2-1 面电极结构测试  52-53
    5-2-2 点电极结构测试  53-54
  5-3 本章小结  54-55
第六章结论  55-56
参考文献  56-59
致谢  59-60
攻读学位期间所取得的相关科研成果  60

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