一、InGaAs/AlGaAs/GaAs单量子阱激光器的研究（论文文献综述）
刘翠翠,林楠,马骁宇,井红旗,刘素平[1]（2022）在《带有非吸收窗口的高性能InGaAs/AlGaAs量子阱激光二极管》文中研究表明为了解决限制近红外单发射区InGaAs/AlGaAs量子阱半导体激光二极管失效阈值功率提升的腔面光学灾变损伤问题,研制了一种带有Si杂质诱导量子阱混杂非吸收窗口的新型激光二极管,并对其性能进行了测试分析。首先,对于带有非吸收窗口的二极管,在其谐振腔上方前后腔面附近的窗口区域覆盖50 nm Si/100 nm SiO2组合介质层,在远离腔面的增益区域覆盖50 nm Si/100 nm TiO2组合介质层,并采用875℃/90 s快速热处理工艺促进Si杂质扩散诱导量子阱混杂并去除非辐射复合中心。然后,基于相同外延结构、相同流片工艺制备了无非吸收窗口的激光二极管作对照组。测试结果显示,带有非吸收窗口的新型激光二极管平均峰值输出功率提升约33.6%,平均峰值输出电流提升约50.4%,腔面光学灾变损伤的发生概率和破坏程度均明显降低,且其阈值电流、斜率效率及半高全宽等特性也无任何退化。该研究证明,采用Si杂质诱导量子阱混杂技术制备的非吸收窗口,对近红外单发射区InGaAs/AlGaAs量子阱半导体激光二极管腔面光学灾变损伤有明显的抑制效果。
张娜玲,井红旗,袁庆贺,仲莉,刘素平,马骁宇[2]（2021）在《不同Al组分的扩散阻挡层对无杂质空位诱导量子阱混杂的影响》文中提出为了获得更好的量子阱混杂效果,深入探讨了不同Al组分的扩散阻挡层对无杂质空位诱导量子阱混杂的影响。首先在两种不同Al组分外延片表面上分别生长了一层200 nm厚的SiO2介质薄膜,然后在865～905℃温度范围内,进行了90 s的高温快速热退火处理。实验结果表明,低铝结构的波长蓝移量更大,且光致发光（Photoluminescence, PL）谱的强度下降更小,这说明在无杂质空位诱导量子阱混杂中,外延结构中的Al和Ga对点缺陷扩散的影响是不同的,Ga更有利于点缺陷的扩散。研究结果为无杂质空位诱导量子阱混杂的理论研究及器件的外延结构设计提供了参考。
何天将,井红旗,朱凌妮,刘素平,马骁宇[3]（2022）在《对915 nm InGaAsP/GaAsP初次外延片量子阱混杂的研究》文中研究表明高输出功率和长期可靠性是高功率半导体激光器得以广泛应用的前提,但高功率密度下腔面退化导致的光学灾变损伤（COD）制约了激光器的最大输出功率和可靠性。为了提高915 nm InGaAsP/GaAsP半导体激光器的COD阈值,利用金属有机物化学气相沉积设备来外延生长初次样片。探讨了量子阱混杂对初次外延片发光的影响。此外,使用光致发光谱测量了波峰蓝移量和发光强度。实验结果表明,在退火温度为890℃、退火时间为10 min条件下,波峰蓝移量达到了62.5 nm。对初次外延片进行量子阱混杂可得到较大的波峰蓝移量,且在退火温度为800～890℃、退火时间为10 min的条件下峰值强度均保持在原样片峰值强度的75%以上。
胡雪莹,董海亮,贾志刚,张爱琴,梁建,许并社[4]（2021）在《GaAs基980nm高功率半导体激光器的研究进展》文中研究表明GaAs基980 nm半导体激光器在材料加工、通信和医疗等领域有着重要应用。应变量子阱结构的出现提高了GaAs基半导体激光器的转换效率、输出功率和可靠性。本文综述了高功率GaAs基量子阱激光器历史发展,介绍了高功率半导体激光器的外延结构、芯片结构和封装结构设计,重点阐述了影响高功率GaAs基量子阱激光器光电性能、散热和实际应用的问题。针对以上问题讨论了相应解决方案及研究成果,并指出了各个方案的不足之处和改进方向。最后,总结了高功率半导体激光器的发展现状,对高功率半导体激光器发展方向进行了展望。
位祺[5]（2020）在《应用于单纤双向光互连的垂直集成收发一体芯片》文中进行了进一步梳理近年来,数据中心和高性能计算机系统应用的快速发展使得支撑短距离数据通信和计算机连接中的高速光互连技术倍受关注。相比于传统的电缆连接技术,光互连技术具有能耗低、可快速切换、可波分复用及并行、可重构性、跳数少等优点,因此光互连技术具有绝对的优势并将取代所有的数据中心网络架构的电子互连。而目前,短距离光互连技术的主流解决方案则是垂直腔面发射激光器（Vertical-cavity Surface-emitting lasers,VCSELs）与多模光纤配合技术。该技术由于具有能耗小、成本低且带宽密度大等巨大优势,所以现在并且将来还会继续主导短距离光互连市场。为了构建下一代高速数据中心网络架构,进一步提升短距离光互连的传输速率,基于短波波分复用技术的多通道传输的解决方案,由于可大幅度减少光纤成本,已成为当前的研究热点。其中,400G BiDi MSA工作组和IEEE 802.3cm工作组都制定了关于单纤双向通信技术方案的标准,此技术方案由于可向前兼容,在现有的基础设施上可直接通向400G网络架构而备受青睐。目前,市场上的BiDi收发器采用的是分光镜方法来分开收、发不同波长的光信号。此方案需要较为精密的光学对准系统,导致封装成本较高。另外,有研究学者将VCSEL和PIN光电探测器（PIN photodetector,PINPD）进行横向集成构成收发一体芯片,但是两单元器件与光纤的耦合效率比较低,仅分别为70%和60%。因此针对以上问题,提出了多种应用于单纤双向通信技术并在垂直方向集成的收发一体芯片。该芯片与现有的分立器件相比,可有效提高光纤的带宽利用率,减小光纤的使用数量和成本;与现有的BiDi收发器相比,可省去安装分光镜过程,有效节约封装成本;与横向集成收发芯片相比,能够有效提升器件与光纤的耦合效率至90%。基于VCSEL和多模光纤配合方案具备的优势,该芯片可有望成为应用于短距离光互连中单纤双向通信的低功耗、低封装成本、高带宽密度的收发一体芯片。本课题完成的主要研究内容和创新成果如下:1.提出了 VCSEL-PINPD垂直集成收发一体芯片,完成了该垂直集成器件从理论结构设计、器件性能仿真到制备实验证明的过程,充分证明了该垂直集成器件的可实践性,为在短距离光互连技术中的应用奠定了基础。（1）提出了一种腔内分布式布拉格反射镜（Distributed bragg reflector,DBR）的新型结构,完美解决了垂直集成器件中VCSEL单元和PIN光电探测器单元之间的光解耦问题。通过在一个具有低品质因子（Q值）的谐振腔中加入周期性DBR结构,并将谐振腔和DBR的中心波长分别设置在发射波长和探测波长处,实现在发射波长高反、在探测波长处高透的功能。仿真设计可以实现在发射波长上接近100%的高反射率和在探测波长上接近100%的高透射率,并且高于85%高透射率的探测波长范围可以达到20 nm。（2）设计完成了光互连中链路两端相互匹配的VCSEL-PINPD收发一体芯片的器件结构,并仿真完成了该对芯片的VCSEL单元和PINP D单元的静态、动态特性研究和分析了两单元之间分别在光学和电学方面的相互影响。该对芯片的两工作波长分别设计为848.1 nm和805.3 nm;VCSEL单元的阈值电流分别为0.8 mA和1.1 mA,斜率效率分别为0.81 W/A和0.86 W/A,3 dB调制带宽分别为15.1 GHz和10.2 GHz;PINPD单元的量子效率谱宽分别为15 nm和13 nm（当量子效率大于70%时）,3dB响应带宽约为23 GHz。仿真结果证明,两器件单元可同时并独立地进行工作,在具有良好的静态性能的前提下,传输带宽可达到10.2 GHz。（3）外延生长并制备了 VCSEL-PINPD垂直集成器件（850 nm发-810nm收端）,完成了对基于新型腔内DBR结构的VCSEL单元的静态特性研究与分析。VCSEL单元的阈值电流为3 mA,斜率效率为0.84 W/A。由于VCSEL单元是决定收发一体芯片能否实现的关键单元,因此该实验不仅验证说明了 VCSEL-PINPD垂直集成器件的可实践性,并且为在短距离光互连单纤双向通信中的应用奠定了坚实的基础。2.为了进一步匹配短波波分复用标准,充分利用OM5光纤的传输损耗小、传输距离远等优势,提出了新型VCSEL-谐振腔增强型光电探测器（Resonant cavity enhancement photodetector,RCEPD）垂直集成器件结构。由于RCEPD的吸收区可采用InGaAs/AlGaAs量子阱,因此相比于PINPD,吸收波长可扩展至900 nm甚至更长。完成了 850 nm发-810 nm收端的VCSEL-RCEPD垂直集成器件的结构设计、静态和动态性能仿真以及两单元分别在光学方面和电学方面之间的相互影响。该集成器件的VCSEL单元的阈值电流为1.68 mA,斜率效率为0.58 W/A,3 dB调制带宽为12.8 GHz;PD单元的量子效率谱宽为8 nm（量子效率大于50%）,最大量子效率为60%,3 dB响应带宽为65 GHz。在光学方面,两器件单元之间的影响较小;在高频电学方面,两器件单元在-40 dB的隔离度下限制带宽为112 GHz,因此VCSEL-RCEPD集成器件两单元可同时并独立地进行工作。VCSEL-RCEPD集成器件为使工作波长红移的集成器件设计奠定了一定的基础。3.为了在满足较高的量子效率的条件下,拓宽集成器件的量子效率谱宽,提出了 VCSEL-双腔RCEPD垂直集成器件。完成了光互连链路两端相互匹配的VCSEL-双腔RCEPD垂直集成器件光学结构设计、静态和动态性能仿真以及分析了两单元有源区对彼此相关性能的影响。集成器件的VCSEL单元的阈值电流分别为1.6 mA和1.7 mA,斜率效率分别为0.74 W/A和0.97 W/A,3 dB调制带宽分别为9.5 GHz和11.0GHz;PD单元的3dB响应带宽都约为10GHz,量子效率谱宽分别8 nm和6 nm（量子效率大于60%时）,最大量子效率可达到90%以上。相比于VCSEL-RCEPD来说,在谱宽相近的情况下,量子效率提高了 20%～30%;而在量子效率相近时,量子效率谱宽则扩展了 4～6 nm。在达到较高的量子效率的前提下,量子效率谱的拓宽能够有效增加对激光器温度变化和光链路不稳定性的容忍度,提高了垂直集成器件的实用性。VCSEL-双腔RCEPD能够充分利用短波波分复用技术,并通过优化两单元的结构得到较好地高频特性,更好地实现短距离光互连单纤双向通信。
刘翠翠,林楠,熊聪,曼玉选,赵碧瑶,刘素平,马骁宇[6]（2020）在《Si杂质扩散诱导InGaAs/AlGaAs量子阱混杂的研究（英文）》文中认为光学灾变损伤（COD）常发生于量子阱半导体激光器的前腔面处,极大地影响了激光器的出光功率及寿命。通过杂质诱导量子阱混杂技术使腔面区波长蓝移来制备非吸收窗口是抑制腔面COD的有效手段,也是一种高效率、低成本方法。本文选择了Si杂质作为量子阱混杂的诱导源,使用金属有机化学气相沉积设备生长了InGaAs/AlGaAs量子阱半导体激光器外延结构、Si杂质扩散层及Si3N4保护层。热退火处理后,Si杂质扩散诱导量子阱区和垒区材料互扩散,量子阱禁带变宽,输出波长发生蓝移。退火会影响外延片的表面形貌,而表面形貌则可能会影响后续封装工艺中电极的制备。结合光学显微镜及光致发光谱的测试结果,得到825℃/2 h退火条件下约93 nm的最大波长蓝移量,也证明退火对表面形貌的改变,不会影响波长蓝移效果及后续电极工艺。
刘昊[7]（2019）在《低维异质结构与新型Ⅲ-Ⅴ族半导体发光器件的研究》文中研究说明半导体低维异质结构早已成为构筑高性能半导体发光器件的基石,该领域的前沿创新研究经久不衰地持续了几十年,但研究热点已从早期的二维的量子阱、超晶格转变至一维的量子线（或更广义的纳米线）和零维的量子点。特别是,基于自组织量子点的新型半导体发光器件因电注入工作容易、具备某些特有的优异性能譬如高温度稳定性并且具有重要的应用前景而尤为受到关注。然而,目前绝大多数量子点发光器件譬如量子点激光器依赖分子束外延（MBE）生长,金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长量子点激光器的进展则大幅滞后且与MBE生长存在显着差距,仅有少数几个国外研究组掌握MOCVD生长量子点激光器的核心技术,鉴于MOCVD所拥有的半导体器件产业化优势,在国内深入系统开展量子点激光器的MOCVD生长研究具有十分重要的意义。除激光器外,基于半导体低维异质结构的发光器件中另外一种重要的类型是超辐射发光二极管（超辐射管）,当前基于半导体低维异质结构的超辐射管作为光纤陀螺等系统的光源对于系统性能的提高起着不可替代的作用,开展超辐射管的研究对光纤陀螺等实际应用具有重要价值。此外,半导体低维异质结构除了前述的几种整数维度外,近年来本实验室提出了能级弥散这一新颖的概念,继而发展出分数维度电子态系理论,即半导体异质结构中不仅仅存在前述的三维、二维、一维、零维等整数维度,还存在着介于这些整数维度之间的分数维度,譬如介于二维与三维之间、介于一维和二维之间等等。分数维度理论的提出者还发现,这一理论有望引入超辐射管中并充分发挥其优势——分数维度半导体异质结构较整数维度异质结构会显着提升超辐射管的性能,并且此发现已经得到初步的实验证实,这样就亟需运用分数维度电子态系理论指导超辐射管的设计与性能优化。基于上述这一科学认知,为验证分数维度电子态系理论在超辐射管中的优越性,进而运用该理论指导超辐射管的设计与优化,我们首先需要进行相应的典型整数维度超辐射管的制备,掌握超辐射管的制备工艺等,从而为进一步研制分数维度超辐射管打下基础。本论文以半导体低维异质结构为出发点,依托科技部国际合作项目以及国家自然科学基金项目,在分数维度电子态系理论方面取得了新的进展,在实验方面重点围绕Ⅲ-Ⅴ族量子阱和量子点展开,进行了二维的量子阱、零维的量子点等整数维度下激光器及超辐射管的研究工作,这既为MOCVD生长量子点器件积累了技术经验,也为后续进行分数维度（譬如从二维到三维、从零维到三维等）超辐射管或其他相关器件的研究奠定了基础。本论文已开展的研究工作以及主要的结果如下:1.研究了在应用不同线型（指数线型和洛伦兹线型）的弥态允率密度函数的情形下电子态密度曲线的变化。针对指数线型和洛伦兹线型两种弥散线型对电子态密度进行了计算分析,对于不同的弥散宽度值绘制了电子态密度曲线,并进一步阐述了实际情况中可能的复合弥散线型,为基于能级弥散的分数维度理论的进一步发展提供了支持。2.制备了基于典型量子阱的激光器与超辐射管,包括1.3μm波段InP基量子阱以及1.1μm波段GaAs基InGaAs量子阱,取得了一些重要的实验结果,为进一步制备性能更加优异的介于二维到三维间的分数维度超辐射管奠定了基础。（1）采用InGaAsP啁啾量子阱作为有源区,进行了激光器和超辐射管的制备。脊宽10μm、腔长2mm的激光器阈值电流密度为0.8kA/cm2,同样脊宽与长度采用弯曲波导的超辐射管在350mA时功率为5.9mW,光谱半宽为27nm。（2）采用A1GaInAs量子阱作为有源区,进行了激光器和超辐射管的制备。脊宽10μm、腔长2mm的激光器阈值电流密度为460A/cm2,同样脊宽与长度采用弯曲波导的超辐射管功率达到30mW以上,光谱半宽在10nm左右。（3）利用MOCVD进行了 InGaAs多量子阱器件结构的生长,然后制备了相应的发光器件,发光波长位于1.1μm处。脊宽10μm、腔长2mm的激光器阈值电流密度为450A/cm2。在超辐射器件制备中,我们比较了不同波导形状（弯曲、倾斜等）对于超辐射的影响,脊宽10μm、长度2mm的采用倾斜基础上弯曲波导的超辐射管功率达到20mW以上,光谱半宽在10nm左右。3.制备了基于典型量子点的激光器与超辐射管,在器件性能优化方面进行了深入的探索并取得了重要的进展,为进一步制备性能更加优异的介于零维到三维间的分数维度超辐射管提供了技术支撑。此外还在硅衬底上生长了高质量的多层量子点,为后续利用MOCVD生长硅衬底上的分数维度器件打下了一定的基础。（1）MOCVD生长并制备了 GaAs基InAs量子点激光器。首先利用MOCVD开展InAs量子点的生长条件优化,比较了单层/多层、InGaAs底层/盖层、Ⅴ/Ⅲ等对于量子点的影响,利用优化后的条件生长出了光致发光波长接近1.3μm的多层量子点,量子点密度达到4X 1010/cm2。之后利用此多层量子点作为有源区进行了激光器结构的生长并制备了量子点激光器,在分别采用无偏角及2°偏角的衬底上均实现了量子点激光器的室温连续激射,激光器的脊宽均为10μm,腔长均为2mm。由于器件工作在激发态,波长明显短于1.3μm。无偏角衬底上的激光器阈值电流密度为700A/cm2,激射波长位于1.19μm处;2°偏角衬底上的阈值电流密度为950A/cm2,激光器波长位于1.16μm。（2）基于MBE工艺,制备了两种不同外延结构的InAs/GaAs量子点激光器和超辐射管,其中基于第一种外延结构制备的激光器激射波长位于1.3μm处,阈值电流密度低至117A/cm2;采用弯曲波导的超辐射管在室温脉冲条件下工作,发光波长位于1.3μm处,光谱宽度在20nm以上,功率达到10mW以上。基于第二种外延结构制备的激光器激射波长位于1.27μm,阈值电流密度低至118A/cm2;采用直波导镀膜的超辐射管在室温连续电流下工作,发光波长位于1.27μm,光谱宽度在10nm左右,功率在3mW以上。（3）生长了 Si衬底上InAs/GaAs多层量子点。利用MOCVD设备在获得高质量Si基GaAs外延层的基础上,对Si上多层量子点的生长进行了优化实验。将GaAs/Si“三步法”异变外延生长技术与GaAs基多层量子点生长技术相结合,生长出了发光波长位于1.3μm波段的Si基InAs/GaAs多层量子点,通过原子力显微镜测试发现生长出的量子点形貌很好,密度较高,可达5 × 1010/cm2,通过光致发光谱测试发现其发光性能较好。
王颖[8]（2019）在《Ⅲ-Ⅴ族半导体量子点和量子阱复合结构纳米材料光学特性研究》文中研究表明Ⅲ-Ⅴ族半导体量子点和量子阱组合构成的复合结构低维材料具有更为灵活的能带结构调控能力和新颖的物理特性,己经被广泛应用于激光器、红外探测器、电光调制器、太阳能电池等光电子器件。深入研究半导体量子点和量子阱复合结构低维材料的光电特性及载流子动力学机制,对于提高纳米光电器件的性能和拓展其应用领域具有重要的意义。本论文围绕Ⅰ型能带结构InAs/GaAs量子点和I型能带结构InGaAs/GaAs量子阱的点加阱（QDW）耦合注入复合结构,II型能带结构GaSb量子点与GaAs基和InP基InGaAs/GaAs、GaAs/AlGaAs、InGaAs/InAlAs等几种I型能带结构量子阱组成的QDW和点在阱中（DWELL）复合结构,系统研究了复合结构的分子束外延生长条件和优化方法,利用多种测试手段对复合结构进行了形貌、组份和光学性能表征,深入分析阐述了复合结构的独特光学特性及载流子动力学等相关物理机制,所取得的创新性成果主要有:1.调控InP基InGaAs/InAlAs量子阱阱宽,实现了荧光波长范围覆盖光通信波段,通过研究量子阱界面效应为制备最佳量子阱异质结构提出了针对性的优化方案。对构建复合结构所需的GaAs基InAs/GaAs量子点、GaSb/GaAs量子点和InP基InGaAs/InAlAs量子阱的外延生长条件进行了实验优化。通过控制量子点的生长条件得到面密度合适、尺寸均匀的量子点。调控InP基InGaAs/InAlAs量子阱阱宽实现了荧光波长范围覆盖通信波段,实验测量结合理论模拟分析证实界面不完善对量子阱发光性能有显着影响,通过研究量子阱界面效应为制备最佳量子阱异质结构提出了针对性的优化要求。2.实验发现InAs/GaAs量子点和InGaAs/GaAs量子阱构成的QDW复合结构中存在特殊的载流子双共振隧穿机制。以InAs/GaAs量子点和InGaAs/GaAs量子阱构成QDW复合结构,量子阱承担载流子收集和储存层任务,将收集的载流子隧穿转移到QDs中,荧光谱测量和能级理论计算分析表明,复合结构中存在特殊的载流子双共振隧穿机制,即从量子阱的基态E0QW到QDs的第五激发态Es和从量子阱的第一激发态E1QW到量子点浸润层能级EWL。这种双共振隧穿引起了载流子的更快速转移和注入效率的提高,导致量子阱荧光寿命减小了一个量级,量子点荧光增强近3倍而载流子寿命却几乎没有改变。3.以Ⅱ型GaSb/GaAs量子点和I型InGaAs/GaAs量子阱构成人造Ⅱ型能带QDW复合结构,实验发现量子点浸润层（WL）对QDW内空穴的快速隧穿转移至关重要。以Ⅱ型GaSb/GaAs量子点加I型InGaAs/GaAs量子阱外延生长构成人造⒈型能带QDW复合结构,这种复合结构利用Ⅰ型量子阱直接带隙、吸收截面大的特点,可将其作为电子储存层和空穴注入层,使空穴通过隧穿或转移等方式注入到量子点中。实验发现WL具有快速转移QW空穴到量子点的能力,但是实验也证明复合结构中的WL可以表现出较强的激子局域化效应,在一定程度上削弱量子点的空穴俘获效率。因此提出构建高质量QDW复合结构必须优化GaSb量子点WL,抑制其激子局域化效应。4.提出了QDW和DWELL复合结构优化方案,获得了较Ⅰ型量子阱直接跃迁显着增强的Ⅱ型能带复合结构材料发光。对GaSb/AlGaAs量子点和GaAs/AlGaAs量子阱构成的QDW复合结构进行优化,通过增加量子点面密度和引入宽带隙AlGaAs势垒层等一系列改进措施,成功抑制WL对载流子的局域化,提高了空穴隧穿注入量子点效率,获得了较Ⅰ型量子阱直接跃迁显着增强的Ⅱ型量子点发光。在此基础上,还制备了AlGaAs势垒包围GaSb/GaAs量子点的DWELL复合结构,这种嵌入式复合结构所形成的特殊能带调控使载流子俘获更为直接有效,获得比QDW复合结构更强的Ⅱ型量子点发光。5.以InP基GaSb/InAlAs量子点和InGaAs/InAlAs量子阱构成的QDW复合结构,获得超过2μm的Ⅱ型量子点发光。组合InP基GaSb/InAlAs量子点和InGaAs/InAlAs量子阱外延生长获得QDW复合结构,通过调控QDW复合结构中量子点、量子阱和间隔层等相关参数,可以实现较大的带隙调节范围,当GaSb/InAlAs量子点和InGaAs/InAlAs量子阱的发光波长都调控到～1.5μm时,QDW复合结构发光波长可超过2μm。同时发现,QDW中Ⅱ型GaSb量子点发光强度均显着强于单层GaSb/InAlAs量子点或InGaAs/InAlAs量子阱。通过对以上几种半导体量子点和量子阱组成的QDW和DWELL复合结构的实验研究,证明与单一量子阱和单一量子点结构相比,复合结构的设计与制造拥有更多的选择,量子点尺寸、量子阱阱宽、各层材料组份、间隔层厚度和势垒层材料选择等,都可作为调控复合结构载流子布居、隧穿转移、辐射复合波长和寿命等光学特性的途径,用于改善或定制光电器件的性能。因此,半导体量子点和量子阱构成的复合结构是有效实行能带工程、改善和调控半导体低维量子结构材料物理特性、拓宽低维量子结构纳米材料应用领域的一种有效方案。
胡海洋[9]（2018）在《硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器材料生长及器件制备研究》文中指出近年来,信息产业突飞猛进,现代光通信网面临着空前的挑战。光纤通信网的数据处理与收发模块中包含了大量的光电子器件,所以光电子器件直接影响着光纤通信网络的综合性能。与此同时,Si基超大规模集成电路经过大半个世纪的发展,已经完全成熟,现代通信网的电子终端正是以之为基础。如果能够实现光子器件与硅基微电子器件的高度集成（即光电集成）,就可以使得光通信网络与电子终端之间的联接更紧密,同时又可以充分发挥微电子器件的成熟工艺技术和光子器件系统带宽宽、传输速率高、抗干扰能力强等优势。在研究人员的长期努力下,许多硅基光器件,如硅基探测器、硅基光调制器等,都已获得成功应用,但硅基激光器方面进展缓慢。如今硅基光电集成面临的最严峻的挑战就是实现硅基激光器的实用化。然而,由于硅是间接带隙半导体材料,使得硅基发光器件的发展受到了极大限制。基于上述背景,本论文致力于通过直接外延的方式实现硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器,以解决硅基光源问题。论文围绕硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器材料生长及器件制备工艺展开研究。主要研究内容及成果如下:（1）本论文工作是在实验室前期有关GaAs/Si三步生长法的研究成果（GaAs外延层位错密度低至3×l06 cm-2）的基础上开展的。对Si基量子阱激光器的材料生长进行了研究。优化了 AlGaAs限制层和InGaAs/AlGaAs量子阱的生长条件,制备出掺杂特性和材料质量良好的Si基量子阱激光器材料。透射电子显微镜测试结果表明,大部分位错都被限制在1.8 μm GaAs/Si外延层中,几乎没有观察到穿透位错出现在量子阱有源区。（2）完成Si基InGaAs/AlGaAs量子阱激光器芯片的制备。制作的Si基InGaAs/AlGaAs量子阱激光器实现了室温下的脉冲激射,阈值电流密度为313 A/cm2,系迄今报道过的脉冲工作的同类激光器的最低值。（3）开展了 Si基InAs/GaAs自组织量子点的生长研究。通过优化量子点的生长条件,对量子点尺寸和密度进行了调控。优化后的量子点密度达到1010 cm-2量级,高度为1.5～4 nm,基底宽度为10～20 nm。与GaAs衬底上的量子点相比,Si基量子点在密度和尺寸方面与之相近,但荧光光谱强度约为前者的50%。这一技术已应用于本论文中高质量GaAs/Si异变外延材料的生长,并成为后续GaAs/Si单片集成量子点激光器研究工作的基础。（4）提出了采用量子点位错阻挡层结合三步生长法制备GaAs/Si材料的方案。首先理论分析了量子点尺寸对其作为位错阻挡层的效果的影响。以此为基础,实验优化了量子点位错阻挡层的生长条件。再将量子点位错阻挡层与三步生长法相结合,在Si衬底上获得位错密度达到9×105 cm-2的高质量GaAs/Si材料。（5）进而提出了采用无定形Si缓冲层结合三步生长法制备GaAs/Si材料的方案。对无定形Si缓冲层的外延生长条件进行了优化。将无定形Si缓冲层与三步生长法相结合,获得表面形貌良好,位错密度仅为1.5×105 cm-2的高质量GaAs/Si材料。这一成果有望在后续硅基GaAs系单片集成激光器的研究中发挥重要作用。
玛丽娅,郭旗,艾尔肯,李豫东,李占行,文林,周东[10]（2017）在《In0.22Ga0.78As/GaAs量子阱光致发光谱电子辐照效应研究》文中研究说明对未掺杂的In0.22Ga0.78As/GaAs量子阱材料开展了能量为1 MeV、电子注量达1×1016/cm2的电子束辐照实验。实验结果显示,电子束轰击量子阱材料,通过能量传递在材料中引入缺陷,导致光致发光减弱;电子束辐照后的量子阱中同时存在应力释放和原子互混现象,导致量子阱的发光峰先红移后蓝移;辐照后的量子阱发光波长取决于应变弛豫和扩散的共同作用。
二、InGaAs/AlGaAs/GaAs单量子阱激光器的研究（论文开题报告）
（1）论文研究背景及目的
此处内容要求：
首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景，再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题，并提出你的论文准备的观点或解决方法。
写法范例：
本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。
（2）本文研究方法
调查法：该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。
观察法：用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。
实验法：通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。
文献研究法：通过调查文献来获得资料，从而全面的、正确的了解掌握研究方法。
实证研究法：依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。
定性分析法：对研究对象进行“质”的方面的研究，这个方法需要计算的数据较少。
定量分析法：通过具体的数字，使人们对研究对象的认识进一步精确化。
跨学科研究法：运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。
功能分析法：这是社会科学用来分析社会现象的一种方法，从某一功能出发研究多个方面的影响。
模拟法：通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。
三、InGaAs/AlGaAs/GaAs单量子阱激光器的研究（论文提纲范文）
（1）带有非吸收窗口的高性能InGaAs/AlGaAs量子阱激光二极管（论文提纲范文）
| 1 引 言 |
| 2 实 验 |
| 2.1 样品制备 |
| 2.2 仿真计算 |
| 2.3 样品表征 |
| 3 结果与讨论 |
| 3.1 功率-电流-电压输出曲线 |
| 3.2 激光光谱 |
| 3.3 电致发光图像 |
| 4 结 论 |
（2）不同Al组分的扩散阻挡层对无杂质空位诱导量子阱混杂的影响（论文提纲范文）
| 1 引 言 |
| 2 实 验 |
| 3 实验结果与分析讨论 |
| 3.1 退火温度的影响 |
| 3.2 退火时间的影响 |
| 4 结 论 |
（3）对915 nm InGaAsP/GaAsP初次外延片量子阱混杂的研究（论文提纲范文）
| 1 引 言 |
| 2 基本原理 |
| 2.1 量子阱混杂模型的建立 |
| 2.2 退火温度对扩散系数的影响 |
| 3 实验方法及过程 |
| 4 结果与讨论 |
| 4.1 初次外延片与完整外延片对比 |
| 4.2 退火温度的影响 |
| 4.3 循环退火的影响 |
| 5 结 论 |
（4）GaAs基980nm高功率半导体激光器的研究进展（论文提纲范文）
| 0 引 言 |
| 1 高功率InGaAs量子阱激光器历史发展 |
| 2 激光器外延结构对光电性能的影响 |
| 2.1 提高激光器的输出功率 |
| 2.2 光束特性改善 |
| 3 激光器芯片结构设计 |
| 3.1 分布反馈半导体激光器(distributed feedback, DFB) |
| 3.2 分布布拉格反射激光器(distributed Bragg reflector, DBR) |
| 3.3 垂直腔面发射激光器 |
| 4 热沉封装设计及其对器件性能的影响 |
| 4.1 热沉材料设计 |
| 4.2 热沉封装结构设计 |
| 5 结语与展望 |
（5）应用于单纤双向光互连的垂直集成收发一体芯片（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 研究背景 |
| 1.2 VCSEL和集成器件的研究现状 |
| 1.3 主要结构与工作安排 |
| 参考文献 |
| 第二章 光通信系统中的VCSEL |
| 2.1 VCSEL的基本结构 |
| 2.1.1 分布式布拉格反射镜 |
| 2.1.2 垂直谐振腔 |
| 2.1.3 有源区设计 |
| 2.1.4 横向限制 |
| 2.2 VCSEL的静态和动态特性 |
| 2.2.1 阈值电流、斜率效率和功率转换效率 |
| 2.2.2 失谐与温度依赖 |
| 2.2.3 小信号调制特性 |
| 2.3 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第三章 光通信系统中的光电探测器 |
| 3.1 光电探测器的工作原理 |
| 3.2 PIN光电探测器 |
| 3.3 谐振腔增强型光电探测器 |
| 3.4 双腔谐振增强型光电探测器 |
| 3.5 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第四章 垂直集成器件VCSEL-PINPD |
| 4.1 垂直集成器件VCSEL-PINPD结构与设计过程 |
| 4.2 垂直集成器件VCSEL-PINPD性能研究 |
| 4.3 垂直集成器件VCSEL-PINPD两单元之间的相互影响 |
| 4.4 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第五章 VCSEL-PINPD制备和性能研究 |
| 5.1 制备VCSEL-PINPD垂直集成器件的后工艺步骤 |
| 5.2 湿法氧化工艺探究 |
| 5.2.1 湿法氧化工艺的简单介绍 |
| 5.2.2 湿氮氧化工艺的实验装置及操作流程 |
| 5.2.3 湿氮氧化实验探究过程 |
| 5.3 器件测试及性能研究 |
| 5.3.1 集成器件结构描述及有关仿真和理论分析 |
| 5.3.2 验证实验及结果分析 |
| 5.4 改进版实验流程方案 |
| 5.5 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第六章 垂直集成器件VCSEL-RCEPD |
| 6.1 垂直集成器件VCSEL-RCEPD结构及设计原理 |
| 6.2 垂直集成器件VCSEL-RCEPD性能研究 |
| 6.3 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第七章 垂直集成器件VCSEL-双腔RCEPD |
| 7.1 垂直集成器件VCSEL-双腔RCEPD结构与设计 |
| 7.2 垂直集成器件VCSEL-双腔RCEPD性能研究及相互影响分析 |
| 7.3 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第八章 总结与展望 |
| 8.1 总结 |
| 8.2 展望 |
| 附录 符号和缩略语 |
| 致谢 |
| 攻读博士学位期间的主要科研成果 |
（6）Si杂质扩散诱导InGaAs/AlGaAs量子阱混杂的研究（英文）（论文提纲范文）
| 1 Introduction |
| 2 Mechanisms and Preventive Measures of COD |
| 2.1 Mechanisms of COD |
| 2.2 Preventive measures of COD |
| 3 Design and test of semiconductor laser chips |
| 3.1 Growth and testing of chips |
| 3.2 Results and analysis of impurity induced disordering test |
| 4 Conclusions |
| 中文对照版 |
| 1 引 言 |
| 2 COD产生机制及预防手段 |
| 2.1 COD的产生机制 |
| 2.2 COD的预防手段 |
| 3 半导体激光器芯片的设计及测试 |
| 3.1 芯片的生长及测试 |
| 3.2 混杂实验的结果及分析 |
| 4 结 论 |
（7）低维异质结构与新型Ⅲ-Ⅴ族半导体发光器件的研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 研究背景 |
| 1.2 研究现状简介 |
| 1.2.1 能级弥散理论 |
| 1.2.2 Ⅲ-Ⅴ族量子点激光器 |
| 1.2.3 Ⅲ-Ⅴ族量子阱及量子点超辐射管 |
| 1.3 论文的结构安排 |
| 参考文献 |
| 第二章 理论基础与实验技术 |
| 2.1 半导体低维异质结构及器件的理论基础 |
| 2.1.1 半导体低维结构 |
| 2.1.2 半导体激光器的基本理论[5] |
| 2.1.3 半导体超辐射管的基本理论 |
| 2.2 半导体Ⅲ-Ⅴ族材料外延技术 |
| 2.2.1 金属有机化学气相沉积 |
| 2.2.2 分子束外延 |
| 2.3 半导体材料表征技术 |
| 2.3.1 X射线衍射 |
| 2.3.2 光致发光 |
| 2.3.3 原子力显微镜 |
| 2.3.4 其他表征技术 |
| 2.4 器件制备及测试技术 |
| 2.4.1 激光器/超辐射管制备工艺 |
| 2.4.2 激光器/超辐射管测试技术 |
| 2.5 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第三章 能级弥散理论中弥散线型的分析研究 |
| 3.1 能级弥散理论介绍 |
| 3.2 能级弥散理论中不同弥散线型的计算 |
| 3.2.1 指数线型时的电子态密度 |
| 3.2.2 洛伦兹线型时的电子态密度 |
| 3.2.3 实际情况中可能的复合弥散线型 |
| 3.3 弥散电子态密度曲线在分数维度电子态系理论中的运用 |
| 3.4 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第四章 Ⅲ-Ⅴ族量子阱材料及器件研究 |
| 4.1 InP基量子阱材料的结构及器件 |
| 4.1.1 InP基InGaAsP量子阱激光器及超辐射管 |
| 4.1.2 InP基AlGaInAs量子阱激光器及超辐射管 |
| 4.2 GaAs基量子阱材料的外延及器件 |
| 4.2.1 GaAs基InGaAs/GaAs量子阱结构外延 |
| 4.2.2 GaAs基InGaAs/GaAs量子阱激光器 |
| 4.2.3 GaAs基InGaAs/GaAs量子阱超辐射管 |
| 4.3 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第五章 Ⅲ-Ⅴ族量子点材料及器件研究 |
| 5.1 GaAs基InAs量子点结构的生长及优化 |
| 5.1.1 量子点生长的优化方法 |
| 5.1.2 量子点器件有源区的生长 |
| 5.1.3 量子点器件AlGaAs上限制层的生长 |
| 5.2 GaAs基InAs量子点器件 |
| 5.2.1 MOCVD生长的量子点激光器 |
| 5.2.2 MBE生长的量子点激光器及超辐射管 |
| 5.3 硅基InAs量子点材料的生长研究 |
| 5.3.1 硅基GaAs材料的异变外延 |
| 5.3.2 硅基InAs量子点的生长 |
| 5.4 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第六章 总结与展望 |
| 6.1 总结 |
| 6.2 展望 |
| 附录 |
| 致谢 |
| 攻读博士学位期间发表的学术论文及申请的专利 |
（8）Ⅲ-Ⅴ族半导体量子点和量子阱复合结构纳米材料光学特性研究（论文提纲范文）
| 致谢 |
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 1 绪论 |
| 1.1 低维半导体材料 |
| 1.2 Ⅲ-Ⅴ族半导体量子点 |
| 1.3 Ⅲ-Ⅴ族半导体量子点和量子阱的复合结构 |
| 1.3.1 QDW复合结构 |
| 1.3.2 DWELL复合结构 |
| 1.3.3 复合结构应用现状及存在的问题 |
| 1.4 本论文的研究工作 |
| 参考文献 |
| 2 Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米材料的特性、制备与表征 |
| 2.1 Ⅲ-Ⅴ族半导体量子阱和量子点结构的特性 |
| 2.1.1 半导体量子阱特性 |
| 2.1.2 半导体量子点特性 |
| 2.2 Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米材料的制备技术 |
| 2.2.1 分子束外延(MBE)技术 |
| 2.2.2 自组织半导体量子点的生长 |
| 2.2.3 半导体量子阱的生长 |
| 2.3 原子力扫描显微镜(AFM) |
| 2.4 透射电子显微镜(TEM) |
| 2.5 X射线衍射(XRD) |
| 2.6 光致发光测试系统 |
| 2.6.1 光致发光原理 |
| 2.6.2 光致发光技术 |
| 2.6.3 光致发光实验装置 |
| 2.7 本章小结 |
| 参考文献 |
| 3 量子点和量子阱的制备与优化 |
| 3.1 InAs/GaAs量子点的制备与优化 |
| 3.1.1 GaAs覆盖层厚度对双模自组织InAs QD的影响 |
| 3.1.2 InAs QD生长速率对量子点面密度的影响研究 |
| 3.2 GaSb/GaAs量子点的制备与优化 |
| 3.2.1 GaSb量子点随生长速率的变化 |
| 3.2.2 GaSb量子点随淀积层厚度的变化 |
| 3.3 InP基InGaAs/InAlAs量子阱的制备与优化 |
| 3.3.1 不同阱宽InGaAs/InAlAs量子阱的制备与发光波长调控 |
| 3.3.2 InGaAs/InAlAs量子阱的激子局域化 |
| 3.4 本章小结 |
| 参考文献 |
| 4 InAs/InGaAs量子点/量子阱复合结构 |
| 4.1 样品制备和形貌结构分析 |
| 4.2 低温低激发PL测量 |
| 4.3 变激发功率PL谱 |
| 4.4 PLE谱 |
| 4.5 变温度PL谱 |
| 4.6 TRPL谱 |
| 4.7 本章小结 |
| 参考文献 |
| 5 GaSb/(In)GaAs量子点/量子阱复合结构 |
| 5.1 GaSb/GaAs量子点和InGaAs/GaAs量子阱QDW复合结构 |
| 5.1.1 QDW样品制备和形貌 |
| 5.1.2 低温低激发功率密度PL谱 |
| 5.1.3 变激发功率PL谱 |
| 5.1.4 变温度PL谱 |
| 5.1.5 PLE谱 |
| 5.1.6 TRPL谱 |
| 5.1.7 本节小结 |
| 5.2 GaSb/AlGaAs量子点和GaAs/AlGaAs量子阱QDW复合结构 |
| 5.2.1 GaSb/AlGaAs量子点的制备和光学特性 |
| 5.2.2 QDW复合结构的制备和光学特性 |
| 5.2.3 本节小结 |
| 5.3 GaSb量子点嵌入GaAs/AlGaAs量子阱的DWELL结构 |
| 5.3.1 样品制备与结构 |
| 5.3.2 变激发功率密度PL谱 |
| 5.3.3 TRPL谱和PLE谱测试 |
| 5.3.4 本节小结 |
| 5.4 InP基GaSb/InAlAs量子点和InGaAs/InAlAs量子阱复合结构 |
| 5.4.1 GaSb/InAlAs量子点的制备和光学性质 |
| 5.4.2 GaSb/InAlAs量子点和InGaAs/InAlAs量子阱复合结构 |
| 5.4.3 本节小结 |
| 5.5 本章小结 |
| 参考文献 |
| 6 总结与展望 |
| 6.1 主要工作总结 |
| 6.2 未来工作展望 |
| 作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果 |
| 学位论文数据集 |
（9）硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器材料生长及器件制备研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 研究背景 |
| 1.2 GaAs/Si材料异变外延发展现状 |
| 1.3 硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器发展现状 |
| 1.3.1 直接外延硅基GaAs量子阱激光器 |
| 1.3.2 直接外延硅基量子点激光器 |
| 1.4 本论文的研究工作 |
| 参考文献 |
| 第二章 半导体材料外延及表征技术 |
| 2.1 金属有机化学气相沉淀技术(MOCVD) |
| 2.2 半导体材料表征技术 |
| 2.2.1 X射线衍射仪(XRD) |
| 2.2.2 荧光光谱测试仪(PL) |
| 2.2.3 扫描电子显微镜(SEM) |
| 2.2.4 透射电子显微镜(TEM) |
| 2.2.5 原子力显微镜(AFM) |
| 2.2.6 电化学CV测试仪(ECV) |
| 2.3 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第三章 硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器材料制备研究 |
| 3.1 生长条件影响因素 |
| 3.2 硅基InGaAs/AlGaAs量子阱激光器材料生长 |
| 3.3 硅基InGaAs/AlGaAs量子阱激光器材料表征测试 |
| 3.4 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第四章 硅基激光器芯片制备工艺研究 |
| 4.1 激光器工艺制备技术 |
| 4.1.1 光刻 |
| 4.1.2 磁控溅射 |
| 4.2 激光器芯片制备 |
| 4.2.1 GaAs基激光器芯片制作 |
| 4.2.2 Si基激光器芯片制作 |
| 4.3 激光器芯片测试与分析 |
| 4.4 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第五章 硅基InAs/GaAs量子点生长研究 |
| 5.1 量子点概述 |
| 5.2 单层硅基InAs/GaAs量子点生长研究 |
| 5.3 多层硅基InAs/GaAs量子点生长研究 |
| 5.4 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第六章 GaAs/Si材料异变外延 |
| 6.1 GaAs/Si三步生长法 |
| 6.2 量子点位错阻挡层 |
| 6.2.1 量子点位错阻挡层介绍 |
| 6.2.2 量子点位错阻挡层理论计算 |
| 6.2.3 量子点位错阻挡层生长条件优化 |
| 6.2.4 量子点位错阻挡层结合三步生长法 |
| 6.3 无定形硅缓冲层 |
| 6.3.1 无定形硅缓冲层介绍 |
| 6.3.2 无定形硅缓冲层实验优化 |
| 6.3.3 无定形硅缓冲层结合传统两步法 |
| 6.3.4 无定形硅缓冲层结合三步生长法 |
| 6.4 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第七章 工作总结与展望 |
| 致谢 |
| 攻读博士学位期间发表学术论文目录 |
| 攻读博士学位期间申请发明专利目录 |
（10）In0.22Ga0.78As/GaAs量子阱光致发光谱电子辐照效应研究（论文提纲范文）
| 1 引言 |
| 2 实验 |
| 2.1 样品选取 |
| 2.2 辐照实验 |
| 2.3 参数测试 |
| 3 结果与讨论 |
| 3.1 光致发光谱 |
| 3.2 发光峰中心波长 |
| 4 结论 |
四、InGaAs/AlGaAs/GaAs单量子阱激光器的研究（论文参考文献）
- [1]带有非吸收窗口的高性能InGaAs/AlGaAs量子阱激光二极管[J]. 刘翠翠,林楠,马骁宇,井红旗,刘素平. 发光学报, 2022
- [2]不同Al组分的扩散阻挡层对无杂质空位诱导量子阱混杂的影响[J]. 张娜玲,井红旗,袁庆贺,仲莉,刘素平,马骁宇. 中国激光, 2021
- [3]对915 nm InGaAsP/GaAsP初次外延片量子阱混杂的研究[J]. 何天将,井红旗,朱凌妮,刘素平,马骁宇. 光学学报, 2022(01)
- [4]GaAs基980nm高功率半导体激光器的研究进展[J]. 胡雪莹,董海亮,贾志刚,张爱琴,梁建,许并社. 人工晶体学报, 2021(02)
- [5]应用于单纤双向光互连的垂直集成收发一体芯片[D]. 位祺. 北京邮电大学, 2020
- [6]Si杂质扩散诱导InGaAs/AlGaAs量子阱混杂的研究（英文）[J]. 刘翠翠,林楠,熊聪,曼玉选,赵碧瑶,刘素平,马骁宇. 中国光学, 2020(01)
- [7]低维异质结构与新型Ⅲ-Ⅴ族半导体发光器件的研究[D]. 刘昊. 北京邮电大学, 2019(08)
- [8]Ⅲ-Ⅴ族半导体量子点和量子阱复合结构纳米材料光学特性研究[D]. 王颖. 北京交通大学, 2019(01)
- [9]硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器材料生长及器件制备研究[D]. 胡海洋. 北京邮电大学, 2018(09)
- [10]In0.22Ga0.78As/GaAs量子阱光致发光谱电子辐照效应研究[J]. 玛丽娅,郭旗,艾尔肯,李豫东,李占行,文林,周东. 光学学报, 2017(02)