论文部分内容阅读
垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser-VCSEL)作为芯片原子钟系统的核心器件，其性能很大程度上制约了芯片原子钟系统技术的发展。鉴于此，本论文主要研究了87Rb芯片原子钟用高温工作的795 nm VCSEL，主要进行了高温环境下工作的VCSEL的结构设计、外延生长、工艺制备及性能表征的研究，取得主要成果如下: 1.优化设计了VCSEL的量子阱有源区及器件结构。研究了量子阱发光波长与势阱层材料组份及阱宽之间的关系，设计了不同组份及阱宽的(Al)GaAs/AlGaAs及InAlGaAs/AlGaAs量子阱结构，分析了量子阱结构的增益特性及其温度依赖关系。对比分析VCSEL的L-I-V特性，设计了有源区分别为AlGaAs/AlGaAs和InAlGaAs/AlGaAs量子阱结构的VCSEL结构。 2.以光致发光(PL)、原子力显微镜(AFM)及高分辨XRD作为主要表征手段，通过改变MOCVD的生长温度、压力及AsH3流量(Ⅴ/Ⅲ比)等条件来探索量子阱结构的最优生长条件。测试结果表明，AlGaAs量子阱PL强度随着AsH3流量的增加先增大后减小，最佳AsH3流量为120 sccm(Ⅴ/Ⅲ比75)，750℃生长的量子阱发光强度较强。而InAlGaAs量子阱的最优生长温度为700℃、AsH3流量为80 sccm (Ⅴ/Ⅲ比100)、反应室压力为50 mbar。对DBR结构进行高分辨率XRD测试分析，分析目标结构与实际生长的DBR结构的偏差，用于调整DBR的外延生长。最后，在优化的量子阱结构及DBR的生长条件基础上，完成了分别以AlGaAs及InAlGaAs为有源区量子阱的VCSEL的外延生长，室温下腔模为792 nm。 3.对VCSEL外延片开展了表征研究。研究了表面及侧面EL随温度的变化关系。测试结果表明，表面EL发光峰对应波长为VCSEL结构腔模，侧面EL发光峰为VCSEL结构量子阱有源区的EL发光峰。腔模随温度升高而红移的速率为ΔλCM=0.068 nm/K，而量子阱发光峰随温度升高而红移的速率为ΔλQW=0.26nm/K。利用变温外量子效率(EQE)测试获得了VCSEL腔模随温度升高而红移的速率，其数值与表面EL数据相吻合;利用变角度EQE测试获得了VCSEL量子阱结构中势垒层的带隙为1.95 eV。 4.通过台面刻蚀、湿法氧化及电极制备等工艺步骤，制作了以AlGaAs量子阱及InAlGaAs量子阱结构为有源区的VCSEL芯片并实现了芯片的室温及高温连续工作。采用AlGaAs量子阱有源区的VCSEL的氧化限制孔径为5μm时，阈值电流为1.5 mA，最大输出功率为0.35 mW，同时芯片在注入电流低于3 mA时可保持单模;VCSEL激射波长随温度升高而红移的速率为0.061 nm/K，而激射波长随注入电流增加而红移的速率为0.40 nm/mA;当氧化限制孔径进一步降低时(～3 μm)，芯片的阈值电流降至0.9 mA，室温工作波长为791 nm，估算的85℃下的芯片工作波长为～794.5 nm。采用InAlGaAs应变量子阱有源区结构VCSEL的阈值电流为0.42 mA，最大输出功率达0.3 mW，斜率效率为0.17 mW/mA，对应氧化电流限制孔径3μm;当温度自室温上升至80℃时，芯片阈值电流比室温时增加了～0.4mA，芯片在1.25Ith注入电流下仍能保持单模激射。室温时芯片的偏振抑制比为17dB。上述结果表明，所制备的VCSEL的工作波长、工作波长温漂系数、阈值电流、输出功率及高温下(80℃)工作满足芯片原子钟的需求，但VCSEL的功耗略微偏高(～2.5mW)，其偏振特性也有待进一步改善。