量子级联激光器热特性的研究

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摘要

Abstract

1. 前言

1.1量子级联激光器的研究意义及背景

1.2量子级联激光器工作原理

1.3量子级联激光器研究现状

第二章 量子级联激光器结构及制备

2.1 量子级联激光器结构

2.1.1 有源区的结构特点

2.1.2 注入区的结构特点

2.1.3谐振腔的结构特点

2.2 量子级联激光器制备工艺

2.2.1 外延片测试与外延工艺

2.2.2 量子级联激光器的刻蚀工艺

2.2.3 量子级联激光器的封装

第三章 量子级联激光器热特性的研究

3.1 量子级联激光器的产热原因及参数

3.2温度对量子级联激光器的几种影响

3.2.1温度对阈值电流的影响

3.2.2温度对输出波长的影响

3.2.3温度对使用寿命的影响

3.3常见几种量子级联激光器热特性的研究

3.3.1 对InGaAs/InAlAs QCL热特性的分析

3.3.2对单芯片半导体激光器热特性的分析

3.3.3对InP基中红外量子级联激光器热特性的分析

第四章 量子级联激光器热特性的模拟

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

第一章 前言

1.1量子级联激光器的研究意义及背景

激光---人类发明史的一个里程碑。它最初是由爱因斯坦发现的，爱因斯坦当时提出组成物质的原子是由分布于不同能级的各种电子所构成的，高能级上的粒子受到光子的激发会从高能级跃迁到低能级，在跃迁的过程中会辐射出与激发它的光性质相同的光，有时会激发出一个强光，就是激光。而量子级联激光器则是半导体激光器发展进程的重要一步。它具有质量轻，线宽窄，发射功率高，可以在室温工作下工作,可提供很宽的光谱范围等特点，并且可以被广泛应用于各种高端行业，比如军事，工业，医疗，通信等。其中应用最为广泛的是进行气体检测，使用量子级联激光器进行大气环境监测无论是在灵敏度，还是抗干扰性，又或是节省人力等方面都极具优势[1]。而且经过掩埋光栅，电化学腐蚀等工艺改进后的量子级联激光器还可以具有单模特性和窄发射角等特性[2]。随着科技产业化趋势加快，中远红外波段的量子级联激光器将会在碳排放、人口健康与人与自然和谐发展的道路中开阔战略性新兴产业，不但能更好地造福人类还能开创并且发展新的交叉学科。

1.2量子级联激光器工作原理

量子级联激光器与传统激光器最大的不同是，它是单极性激光器，可以覆盖大部分的中红外和部分远红外光谱[3]。它的简单工作原理如下图（1.1），根据图片我们可以看出量子级联激光器一般是由多量子阱耦合而成的[4]。每个量子阱包含一个激发区，一般是由三个量子阱组成，和一个注入区，一般由N型掺杂超晶格构成，一个量子级联激光器一般要由几十个这样的结构组成[5]。

当施加一个外加电场的时候，因为电子有隧穿特性，所以它会先通过一组耦合量子阱构成的注入区内，紧接着再达到由另一组耦合量子阱构成的有源区，电子被激发而后产生共振跃迁到基态进而释放出能量，产生跃迁的两个能级之间大约相差一个光学声子能量，然后发射出光子并隧穿到下一级，成为下一个相似结构的注入电子。以上述相同的原理一级一级地传递下去，经过多次的跃迁，就可以使它在光腔中积累的能量达到激射所需要的增益，最终形成激光。正是这种级联的结构才使得量子级联激光器无论从结构还是性能上来说，相比于普通的半导体激光器具有巨大的优势[4]。与传统不同的是，其激射波长完全由半导体材料禁带宽度所决定，所以调节量子阱的宽度就可以调节波长。综上可看出，增益大于损耗是产生激光的必要条件，要产生增益就必须达到高能级对低能级粒子数反转；而要想降低损耗就要改善器件的结构，比如波导结构，提高波导的限制因子同时的减少波导损耗就，这样可以有效的降低量子级联激光器的增益阈值，从而提高激射效率。

图1.1 量子级联激光器简单原理图

1.3量子级联激光器研究现状

自从1994年Bell实验室研制出了第一台量子级联激光器之后，它的结构、性能、效率、寿命等的更新与完善就从来没有停止过。1997年Bell实验室又发明并展出了具有超晶格活跃区结构量子级联激光器。并且这种激光器已经具有了较高的电流负载率，和大于同样级数激光器的光功率，保证离子数反转[6]；但是，这种激光器的有源区是掺杂的，这就造成阈值较高，后来实验室换用了非掺杂的超晶格做有源区，进而扩宽了能带，使得量子级联激光器阈值降低，这样就可以在较低的脉冲条件下在室温工作，与此同时也能提高激射波长，降低工作条件，这种设计为后来可以在室温中工作的量子级联激光器研发提供了很大的支持。2002年，经过不断的改进，第一台THZ量子级联激光器诞生了，无论从输出功率，还是发射波长，或是电流阈值密度方面来说都有所提高[7]。

然而国内研究现状也是很乐观的，最近十几年量子级联激光器凭借其自身优势及应用被我国的科研事业重视，许多科研工作者对其原理与制造进行了研究。其中最受瞩目且成果最多的就是中科院半导体研究所由刘峰奇，王占国等人带领的研究小组以及上海微系统和信息研究所由张永刚、李爱珍等人带领的研究小组。他们是国内第一个报道量子级联激光器的组织，并且刘峰奇小组早已经自行研制出中红外InGaAs/InAlAs量子级联激光器[8]。量子级联激光器的成功研制使我国同世界上发展先进的国家一样获得了红外激光光源，为相关的科学领域以及由其所衍生出来的行业发展做出了巨大的贡献。从长远来看量子级联激光器无论是在痕量气体检测，大气通讯，医学成像等方面都有相当好的前景，所以尽快实现量子级联激光器的产业化，商业化，简化工艺流程使其可以更加广泛地被应用是现在的当务之急。

第二章量子级联激光器结构及制备

2.1 量子级联激光器结构

量子级联激光器是依据带电粒子在半导体量子阱中导带子带间跃迁和声子辅助共振隧穿这一原理而研制出来的一种新型单极型光源。它的有源区是由多级量子阱串联而成的，从而实现光子跃迁得到增益。器件的每一级都由注入区、有源区、弛豫区三部分构成，一般上一级的弛豫区也就是下一级的注入区[3]。具体结构如下图2.1：

图2.1有源区能带结构示意图

2.1.1 有源区的结构特点

有源区是量子级联激光器设计的核心部分，一般来说有源区和注入区组成一个周期，几十个这样的周期组成了量子级联激光器。有源区是一种多阱耦合的量子阱结构，一般都为三阱，注入区则是递变超晶格结构[9]。有源区是硅片上放置有源器件的地方，其自身材料和参数的选择将会决定量子级联激光器最终属性，尤其是有源区的温度变化对量子级联激光器整体性能都有很大的影响。因此，对量子级联激光器有源区热特性的研究一直以来都是十分的热门并且很有难度的一个课题。常见的量子级联激光器有源区的设计方法主要包括啁啾超晶格，束缚–连续态跃迁及共振声子。其中共振声子模式的量子级联激光器具有最好的温度特性，所以目前大部分高工作温度的器件都会采用这种有源区设计，但正是因为这样，共振声子模式的量子级联激光器对超晶格生长精度的要求也相对较高，这就使得它在制作工艺方面由于困难而不能得到普及。束缚–连续态跃迁模式的有源区设计可以显著增加器件工作功率，对生长精度的要求也比共振声子模式的精度要低，但由于下辐射态位置的原因，随着工作温度的升高，在上辐射态寿命缩短的同时下辐射态寿命增加。三耦合量子阱结构是使用最多也是相对较早的一种有源区结构，世界上首个InGaAs/InAlAs量子级联激光器就是利用了这种耦合量子阱结构，它具有很好的物理意义和实用价值，但是这种结构的粒子性反转不是很好进而导致增益偏低影响激射效果。除了以上介绍的几种之外，还有其他的结构，比如应变补偿量子阱结构、四阱双声子共振结构[11]。下图2.1是几种有源区的简单原理图。

图2.1几种常见的有源区结构

2.1.2 注入区的结构特点

注入区是除有源区之外另一核心区域，它往往跟有源区一起组成一个周期。量子级联激光器的设计主要是利用了注入区的隧穿特性，进而通过量子力学方程设计出透射率最大的注入区结构。 从2.1图可以看出，注入区的作用是使被激发的电子从一个周期的最低的那个能级注入到下一周期最高的那个能级，这样在减少了最低能级的电子数的同时又可以增加最高能级的电子数，即增加粒子数反转能力，从而更好的得到增益完成激射。而注入区性能的一个关键参数是电子隧穿的透射率，透射率大则有利于电子从一个周期的最低能级注入到下一周期的最高能级。所以说提高注入区的透射率有利于减少散射，也就可以有效的增加激光强度。与此同时还要使第一周期最低能级的电子波函数和第二周期最高能级的电子波函数空间分布尽可能接近，以增加透射成功率。因此，如何设计注入区势垒以及如何规定它的大小就至关重要，而设计势垒的主要问题在于怎样确定它的垒厚和垒高[11]，才能使器件波长及效率达到最理想。注入区势垒的厚度可以影响有源区光学性质和载流子的注入效率[12]，通过分析Stefano Barbieri等人研究的结果，我们不难发现，对于一个基于斜向跃迁机制的GaAs/AlGaAs量子级联激光器，当它的势垒厚度为7mm时发射波长为9.5µm，是最佳波长。而势垒的高度则控制着注入区载流子的热泄露，对提高温度性能有着很大的帮助，通过调节势垒中注入材料可以调节势垒高度，在一定范围内增加材料比例有助于提高热特性，但超过这个范围就可能对期间产生有害的影响[11,33]。有关注入区的垒高对载流子泄漏影响见图2.3。

图2.3注入区的垒高对通过连续态的泄漏曲线

2.1.3 谐振腔的结构特点

谐振腔是激光器的必要组成部分，它的作用是优先放大那些频率、方向一定且沿轴向的光而抑制其他频率的光，将其反射出区，从而达到激射效果。它通常由两块与工作介质轴线垂直的平面构成。

在实验中我们发现对于量子级联激光器来说，Fabry-Perot谐振腔是最合适的[11]。主要是因为它的制作工艺最容易实现，是由自然解理面构成，以Cu作为热沉。这种谐振腔可以依靠腔内光的震荡形成驻波，进而对发射波长模式进行选择。

还有另外一种非常实用的谐振腔模型---GaAs基微腔量子级联激光器，这种模型的谐振腔采用的是微柱形结构，这种微柱形结构可以降低镜面损耗，从而降低器件的阈值电流密度，并且还能有效的提高结构的热耗散，它的单模特性以及阈值电流密度、工作温度等特性都比比Fabry-Perot谐振腔结构更好 [13]。

2.2 量子级联激光器制备工艺

量子级联激光器的制备主要包括焊接、封装、外延片的测试、光刻/化学腐蚀等几项工艺，这里主要介绍外延片测试，封装与刻蚀[4]。下图2.4是InGaAs/InAlAs型量子级联激光器的一般制备流程。

图2.4 InGaAs/InAlAs型量子级联激光器制备流程

2.2.1 外延片测试与外延工艺

在开始制作量子级联激光器之前都要进行外延片的测试，器件的外延结构是采用分子外延技术获得的。只有质量合格，可以外延生长的外延片才能参与制备，一般在实验中通常用X射线衍射来检查外延片是否合格，其原理是根据不同晶格衍射角不同来分辨材料生长的好坏，下图2.5 InGaAs/InAlAs量子级联激光器外延片的结构参数[4]。

图2.5 外延片结构参数

分子束外延（MEB）工艺是一种基于超高真空技术的制备单晶薄膜材料外延方法[14],它可以用来生长亚稳态材料，是一个动力学过程。首先，它的生长环境要在超真空且低温条件下，杂质非常少，因此可以获得高纯度的外延单晶材料。其次，它的生长速率可调，厚度也从单原子层到微米量级都可以达到。最后，它可以通过快门控制各开关，所以能获得突变的异质结或者PN结界面，并且能很好的控制精度。结合以上优点，可以发现分子束外延技术是制备具有精细结构的电子和光电子器件材料的不二之选。所以量子级联激光器就是利用这种技术在沉底上生长符合晶格结构的异质结材料体系。

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