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由于量子点具有独特的类似于δ函数的能态密度函数,以量子点为有源区的光子器件将具有优于传统量子阱器件的性能。InAs/GaAs量子点由于可以将发光波长延伸至光通讯用的1.3μm和1.5μm光纤低损耗窗口而受到广泛的关注。目前,基于分子束外延(MBE)技术的InAs量子点激光器已经实现长波长激射,并表现出低的阈值电流密度、高特征温度及高输出功率等优良特性,但是利用金属有机物化学气相外延(MOCVD)技术制作的InAs量子点激光器发展相对缓慢,还没有实现1.3μm激射。本文研究了InAs/GaAs量子点的MOCVD生长及光学性质,并对InAs/GaAs长波长量子点激光器的制作进行了初步探索,主要内容包括:
(1)研究了不同GaAs衬底对InAs量子点的生长及光学性质的影响。正GaAs(100)衬底上量子点呈单模尺寸分布,而偏GaAs(100)衬底上量子点呈双模尺寸分布,由大小两种尺寸的量子点构成,并且按线状规则排列,具有一定的空间均匀性。光荧光(PL)测试表明,偏GaAs(100)衬底量子点样品与正(100)衬底样品相比具有更好的发光质量。
(2)系统的研究了沉积条件对偏GaAs(100)衬底上量子点形成的影响。由于偏GaAs(100)衬底上多原子台阶的存在,量子点双模尺寸分布随沉积温度的变化表现出了与正(100)衬底量子点不同的规律:随着沉积温度的升高大尺寸量子点密度减小而小尺寸量子点密度快速增加。
(3)研究了偏GaAs(100)衬底量子点的快速热处理行为。与正GaAs(100)衬底相比较,偏GaAs(100)衬底的选择显著加速了量子点热处理过程中材料质量的退化,发光强度随着热处理温度的提高快速衰减;同时,偏GaAs(100)衬底量子点在热处理过程中发光波长的蓝移及光谱线宽的窄化也快于正(100)量子点样品。
(4)研究了采用三种不同的生长方式得到的具有相近发光波长的量子点的光学性质。低沉积速率和停顿V族源供应的生长停顿的共同作用使量子点有更大的发光强度和窄的光谱线宽,GaAs盖层的高温生长又进一步的提高了材料的发光质量。长时间原位热处理实验表明,GaAs盖层的高温低速生长可以明显减少量子点发光的蓝移。快速热处理实验表明,与高沉积速率量子点相比,低沉积速率量子点样品发光强度随温度的增加下降的更快。
(5)制作了以单层量子点为有源区条型宽接触激光器。室温脉冲工作条件下阈值电流密度较低,但器件成品率低,寿命很短,出光功率较小并且P-I曲线有很多扭折。分析了器件性能差的原因,提出了改善方法。