808-nm垂直腔面发射激光器的结构设计与研制

论文摘要

垂直腔面发射激光器（VCSEL）和边发射半导体激光器相比有很多优点，如阈值低、没有光学灾变损伤以及可以二维集成等。808-nm半导体激光器主要用于泵浦固体激光器，但由于对808-nm VCSEL的研究近几年才被积极开展，所以关于808-nm VCSEL的研究报道特别少。本论文围绕808-nm波段的GaAs基VCSEL，对量子阱和分布布拉格反射镜（DBR）的设计、VCSEL整体结构设计和输出特性模拟，以及所设计结构的外延生长和制备工艺等进行了深入系统的研究，取得的主要成绩和创新性成果如下：1.为实现VCSEL在808-nm波长的激射，设计了非应变GaAs/Al0.3Ga0.7As、张应变GaAsxP1-x/Al0.3Ga0.7As和压应变In1-x-yGaxAlyAs/Al0.3Ga0.7As量子阱。然后理论计算了三种量子阱材料的带隙、带阶、量子化子能级，并确定了GaAs阱宽为4nm、GaAs0.87P0.13阱宽为13nm、In0.14Ga0.74Al90.12)As阱宽为6nm时，量子阱在室温下激射波长在800nm左右。2.确定了808-nm VCSEL的DBR反射镜的高折射率层为Al0.2Ga0.8As，低折射率层为Al0.9Ga0.1As。然后设计了组分渐变Al0.2Ga0.8As/Al0.9Ga0.1As的DBR结构，并得到了该结构的反射率和反射谱，确定了渐变层厚度为20nm，出光P面DBR为23对，此时反射率为99.57%，全反射N面DBR为39.5对，此时反射率为99.94%。3.通过对比设计的三种量子阱VCSEL的材料增益、阈值电流和输出功率等，得到压应变In0.14Ga0.74Al0.12As更适合做808-nm VCSEL的量子阱。然后采用MOCVD技术对设计的In0.14Ga0.74Al(0.12As/Al0.3Ga0.7As三量子阱结构、22对Al0.2Ga0.8As/Al0.9Ga0.1As DBR反射镜以及VCSEL全结构进行了外延生长，测得量子阱在室温下的PL谱峰值中心波长、DBR的反射中心波长以及VCSEL的腔模波长和理论设计的结果基本一致。4.采用顶发射VCSEL的制作工艺，对生长的压应变In0.14Ga0.74Al(0.12As量子阱VCSEL进行了制备，得到了808-nm VCSEL的单管和列阵器件。测量得到单管器件在出光口径为150μm时输出功率最大为43mW，2×2列阵器件的最大输出功率为115mW。808-nm VCSEL的单管和列阵的光谱中心波长都在808nm左右，恰好是芯片结构设计想要得到的结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 垂直腔面发射激光器（VCSEL）简介
• 1.2 VCSEL 的发展历史和研究现状
• 1.3 808-nm VCSEL 的研究背景及意义
• 1.4 本论文的主要研究内容
• 第2章 808-nm VCSEL 的量子阱设计及输出特性模拟
• 2.1 808-nm VCSEL 的量子阱设计
• 2.1.1 势阱和势垒材料的选取
• 2.1.2 应变量子阱带隙计算
• 2.1.3 有效质量、带阶以及临界厚度计算
• 2.1.4 量子阱子能级计算以及组分和阱宽的确定
• 2.2 808-nm VCSEL 的输出特性模拟
• 2.2.1 量子阱的材料增益
• 2.2.2 阈值电流密度
• 2.2.3 电光转换效率
• 2.2.4 斜率效率和输出功率
• 2.3 本章小结
• 第3章 808-nm VCSEL 反射镜及整体结构的设计和软件模拟
• 3.1 VCSEL 反射镜设计
• 3.1.1 DBR 材料及 AlxGa1-xAs 折射率
• 3.1.2 传输矩阵方法和反射中心波长确定
• 3.1.3 DBR 的吸收损耗、反射谱和高反射带宽
• 3.1.4 DBR 的反射率和穿透深度
• 3.2 VCSEL 整体结构设计和软件模拟
• 3.2.1 VCSEL 光腔设计
• 3.2.2 氧化限制层设计
• 3.2.3 顶发射 VCSEL 整体结构
• 3.2.4 PICS3D 软件模拟
• 3.3 本章小结
• 第4章 808-nm VCSEL 的外延生长、制作及测试分析
• 4.1 808-nm VCSEL 的外延生长及测试分析
• 4.1.1 MOCVD 外延技术介绍
• 4.1.2 量子阱的生长和测试
• 4.1.3 分布布拉格反射镜的生长和测试
• 4.1.4 垂直腔面发射激光器整体结构的生长和测试
• 4.2 808-nm VCSEL 的制作及测试分析
• 4.2.1 顶发射 VCSEL 的制作工艺及关键技术介绍
• 4.2.2 808-nm 顶发射 VCSEL 的性能
• 4.3 本章小结
• 第5章 总结
• 参考文献
• 在学期间学术成果情况
• 指导教师及作者简介
• 致谢