GaAs基长波长光电子功能材料与器件研究

wxsh1983

互联网和数据传输业务的不断增长推动着光纤网络，特别是局域网和城域网对于带宽需求的快速发展。可直接调谐、无制冷、易于耦合封装的低成本、长波长发射和探测器件是其发展中的关键器件。目前光通信系统中所广泛采用的1.3µm和1.55µm 激光器和探测器均由InP基InGaAsP/InP材料体系制备，对光通信的发展起到了很重要的作用，但其存在着导带偏移量小带来的特征温度低、材料折射率差小、耦合效率低和成本相对较高等问题。一种可行的解决方案是利用GaAs基材料系相对低的成本和较为成熟的工艺技术，发展GaAs基面发射激光器和共振腔增强型探测器。近年来GaAs基GaInNAs/GaAs量子阱和InAs量子点的研究取得了很大的进展，并显示出极大的潜力，但仍有许多问题需要解决。针对GaAs基长波长1.3µm和1.55µm 光电子材料和器件开展研究，其所涉及的研究内容和相应结果有以下几个部分： 1.理论和实验上对GaInNAs QW进行研究，利用分子束外延（MBE）结合射频等离子氮源进行材料生长研究。为了获得高质量GaInNAs，一方面采用在高In组分InGaAs中掺入微量N的方法实现波长向1.3µm 的拓展，同时通过退火有效地提高材料质量。经过生长条件的优化，InGaAs中In 的含量被成功提高到47.5%， 光荧光PL谱中心波长为1.257µm, FWHM为30nm。在此基础上，通过微量氮的并入获得了高质量的GaInNAs量子阱，在国内首次研制成功室温连续工作1.3µm GaInNAs/GaAs量子阱激光器，激光器阈电流密度为980A/cm2, 5℃-100℃温度范围内特征温度为132K。 2.为了进一步拓展波长至1.55µm，Sb被用来辅助GaInNAs材料的生长。研究显示Sb不仅起到表面活化剂的作用辅助材料生长，而且Sb作为合金元素被并入到GaInNAs中形成五元化合物GaInNAsSb，这两方面作用使得波长被有效地拓展，同时能够保持良好的晶体质量。通过优化Sb辅助生长条件结合原位退火，成功研制出世界上第一只1.586微米室温连续工作GaInNAsSb/GaAs量子阱激光器，实现了GaInNAsSb/GaAs 激光器在通信波段的突破，激光器阈值电流密度2.45KA/cm2，激射波长1.587µm，激光器的特征温度在温度小于40℃时，T0=81K；温度超过40℃，T0=28K。 3.系统研究InAs自组织量子点的生长以及QD光学和结构特性，首次在国内研制出室温连续激射 GaAs 基长波长量子点激光器，室温连续激射波长达到1331nm，最高基态连续激射温度达摄氏65度,单层量子点阈值电流密度低达50A/cm2，基态1.33-1.35µm输出功率达到350mW。 4.对1.3µm GaAs 基VCSEL开展深入研究，通过对VCSEL器件结构设计，VCSEL器件制备中的关键工艺以及相关的中间检测技术的研究，有效提高了VCSEL的利用率和器件制备的成功率，在国内首次成功研制出GaAs基1.3µm室温工作面发射激光器。 5.从理论和实验上系统地研究了RCE-PD的结构和特性，在国际上首次成功研制出GaAs基1.55µm GaInNAs 量子阱RCE 探测器。上、下反射镜分别采用25对和9对GaAs/AlAs DBR；为获得高的量子效率要求有较大的有效吸收系数, 因此设计采用6层InGaNAs 量子阱。探测器峰值响应波长1551nm，响应半宽10nm，0V偏压下响应度0.12A/W，-3V偏压下为0.42A/W，对应量子效率为33%，响应时间小于1ns，在0 V的偏压下，暗电流为 3×10-3pA/(um)2；-5V偏压下暗电流为0.43pA/(um)2，RCE-PD上升时间800ps。 6.对一种新型1.55µm低温生长GaAs （LT-GaAs）RCE-PD进行了研究。研究表明由于深能级或As反位杂质的存在，LT-GaAs可实现对长波长（1000nm－1600nm）光信号的吸收，并且具有极短的载流子寿命。采用MBE低温200℃生长GaAs材料作为长波长吸收层，我们成功制备出1.55µm波段的全结构共振腔增强型光探测器，具有创新性。探测器具有极低的暗电流密度，光电流谱峰值波长为1563nm，半宽为4nm，峰值波长响应度为7.1mA/W。根据瞬态光致载流子弛豫时间测试分析，LT- GaAs具有200fs的载流子寿命。