ingaasgaasp量子阱界面结构及其激光器件性能研究

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1、太原理工大学博士研究生学位论文II太原理工大学博士研究生学位论文InGaAs/GaAsP量子阱界面结构及其激光器件性能研究摘要半导体激光器具有体积小、重量轻、功率大、光电转换效率高、寿命长等优点，成为光电子材料与器件领域研究的热点。GaAs基激光器在光电特性及应用领域的研究已经取得了很大进展，但在光电性能方面仍面临一些急需解决的问题，比如高注入电流密度下功率效率衰减、内损耗较高、阈值电流高、电光转化效率低、载流子的热逃逸、斜率效率低等。研究表明，激光器外延结构中各功能层间的界面，尤其是激光器有源区的界面结构，不仅能够传递能量，而且对提升激光器件

2、的光电性能起着至关重要的作用。本论文研究GaAs基激光器中有源区界面结构与其光电性能的关系，通过设计和调控有源区界面结构来提升激光器件的光电性能。在介绍GaAs基激光器发光机制的基础上，对量子阱中的阱/垒界面结构展开了研究，包括生长温度对InGaAs/GaAsP量子阱中阱/垒界面的铟(In)原子扩散的影响，势垒中磷(P)组分对量子阱中界面结构质量及载流子分布的影响，不同偏角GaAs衬底对量子阱界面结构及生长动力学过程的影响等。本文的具体研究内容和成果主要包括以下几方面：1.为了更好的调控InGaAs/GaAsP多量子阱界面的生长工艺，系统研究了

3、量子阱生长温度对阱垒生长过程中高温环境导致In原子界面扩散的问题。温度越高，In原子扩散长度越长，阱垒界面层的合金无序性增加，合金散射增大，降低了电子的迁移率。因此，为了获得理想的量子阱界面结构，设计的生长温度分别为620℃、650℃和680℃。结果表明：在生长温度为650℃时，在InGaAs/GaAsP界面处能够得到最薄的In原子扩散界面层。同时，讨论并分析了In原子扩散层形成机制以及该层对多量子阱光电I太原理工大学博士研究生学位论文性质影响的机理。2.为了提高InGaAs/GaAsP多量子阱的内量子效率，解决在电激发作用下载流子从阱中越过势

4、垒导致载流子泄露的问题。采用k·p方法从能带理论上系统研究了势垒中P组分对载流子的分布、束缚能力以及光电性质的影响。在理论设计的基础上，分别生长了不同P组分势垒的多量子阱结构，并对其界面结构性质以及光学性质进行了研究，分析了不同P组分势垒的激光器件对光电性能的影响。结果表明：势垒中P组分为0.145时，得到了光电性能参数较好的激光器件，内量子效率可达98%，阈值电流约为0.3A。3.为了分析0°，2°和15°不同偏角的GaAs衬底对激光器有源区的InGaAs/GaAsP多量子阱界面结构的影响。在相同工艺参数条件下，不同偏角的GaAs衬底上生长的

5、多量子阱结构表面形貌分别为台阶流、台阶聚并和岛状。通过变温光致发光谱分析表明：在0°、2°和15°GaAs衬底上生长的多量子阱结构分别具有量子阱、量子线和量子点的光学特征。结合相关工艺参数，对不同偏角GaAs衬底上的量子阱、量子线和量子点的生长机理进行了分析，并解释了不同偏角衬底的InGaAs/GaAsP多量子阱的光学性质与微观结构之间的关系，从而为制备不同形貌的自组装纳米结构器件提供新的工艺方法。关键词：InGaAs/GaAsP，界面结构，势垒，偏角衬底，温度依赖光致发光II太原理工大学博士研究生学位论文INTERFACIALSTRUCTUR

6、EOFInGaAs/GaAsPQUANTUMWELLANDPERFORMANCEOFLASERDEVICEABSTRACTSemiconductorlaserhasbeenafocusforalongtimeinthefieldofoptoelectronicmaterialsbecauseofitssmallbulk,littleweight,highpower,highpowerconversionefficiency,longlifeetc.PhotoelectricpropertiesandapplicationsofGaAsbased

7、laserhavealreadymadegreatprogress.However,anumberofhurdlesstillneedtobeovercome,suchasthepowerefficiencydroopphenomenonunderhighcurrentinjection,highloss,thresholdcurrent,electrical-to-opticalconversionefficiency,carrierthermalescape,lowerslopeefficiencyandsoon.Theresearchha

8、sfoundthattheinterfacesbetweenthevariousfunctionallayersinthelaserdevicenot