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[导读]1.量子阱结构设计多量子阱吸收区的设计主要应考虑阱宽、垒宽、阱深和阱的数目的选取。吸收区中所采用的异质结构为 GaAs/Ga1-xAlxAs材料系的多量子阱,组分x取为0.3左右。阱宽的选择首先应考虑使激子吸收峰处于工作波

1.量子阱结构设计

多量子阱吸收区的设计主要应考虑阱宽、垒宽、阱深和阱的数目的选取。吸收区中所采用的异质结构为 GaAs/Ga1-xAlxAs材料系的多量子阱,组分x取为0.3左右。阱宽的选择首先应考虑使激子吸收峰处于工作波长附近 。我们所研制的SEED器件工作波长要求在850~860 nm范围,根据理论计算,取阱宽为10 nm,此时重空穴激子吸 收峰在850 nm附近。另一方面,量子阱限制Stark效应所引起的激子吸收峰红移随阱宽的增加而增大,因此适当增 加阱的宽度可以增强QCSE效应。但阱宽也不能太大,对于GaAs材料,当阱宽接近或大于30 nm(三维激子直径)时 ,量子阱材料就接近或变成体材料了。因此在受阱宽影响的红移效应和量子尺寸效应之间应做折中选择,一般认 为取5~15 nm为宜。在势垒宽度的设计中,由于是多量子阱结构,所以应注意避免阱间电子、空穴波函数的耦合 。势垒过窄,阱间耦合加强,使激子峰展宽;势垒过宽会增大i区长度,使GaAs阱区的有效吸收长度所占比例减少 ,一般选取4~8 nm。

为了增加吸收区长度,一般采用多周期的量子阱结构,其周期数目的设计原则是量子阱数目既不能过少,也不 应过多。阱数过少,对入射光的吸收不够大,不容易提高对比度;阱数过多一方面使损耗增大,另一方面光束在 阱区内就已被全部吸收掉,多余的量子阱将造成不必要的浪费。另外,过多的量子阱还会使i区长度过大,需要加 较高的反向偏压才能使空间电荷区耗尽,这样会增大工作电压,同时也不利于对比度的提高。

在设计SEED器件时,外加电场为零时e ̄hh的位置是比较重要的,它决定了器件的工作波长,激光器的波长必须 与之匹配。表1给出了不同阱宽的GaAs/AlO.3Ga07As量子阱零外场下电子和轻重空穴的本征能量和e-hh峰对应 的波长。

表1 不同阱宽的GaAs/AlO.3GaO.7As量子阱外加电场为零时,电子和轻重空穴的本征能量和e-hh峰能量和波长(GaAs禁带宽度取为1.424 eV,激子束缚能取8 meV)

 

 

由于用于倒装焊的SEED器件底部没有DBR反射层,而是靠器件表面的金属作反射镜,反射率比较低。器件一般在 顶部镀减反膜以消除非对称法布里-珀罗(ASFP)腔谐振吸收作用,因为衬底腐蚀掉后,SEED器件本身只有1~2 μm的厚度,腐蚀引入的不均匀性很难使ASFP腔的模式处在同一个位置。考虑到不能利用ASFP腔的吸收增强作用来 增大吸收和提高对比度,因此,为了增大i区的吸收适当增加了量子阱的数目(取为90),同时降低量子阱势垒的 厚度(取为4 nm),以降低工作电压。图1是所设计的适用于倒装焊的SEED器件量子阱结构。其中底部的AlAs层是 用来腐蚀衬底时作腐蚀停止层用的,厚度取137 nm是考虑到有可能采用AlAs的氧化工艺制作减反膜,因而AlAs厚 度取三氧化二铝的1/4波长厚。量子阱宽度取8.5 nm,对应的e ̄hh峰波长,根据表1取为847 nm左右;器件常通 工作,其工作波长一般应大于e-hh峰7 nm,即在854 nm工作波长,与常用的850 nm工作波长相比,工作波长变长 了,虽然减小阱宽可以减小工作波长,但阱宽小时,量子限制Stark效应减弱,因而设计时还是采用了较长的工作 波长。由于器件顶部镀减反膜,反射率R可表示为:R=Rbe-2ad为金属镜的反射率,设为90%,假设加电场时的吸 收系数为1 0 000/cm,则低态反射率:RL=20%;设外场为零时的吸收系数为2500/cm,则高态反射率:RH=61% 。相应器件对比度大约为3,高低态反射率差为41%。

 

 

图1 适用于倒装焊的SEED it件量子阱结构

2.光荧光谱测量

对于用于倒装焊的SEED器件,由于底部没有高反射率的DBR,一般可采用光荧光谱的方法确定其激子峰位置。图2 为所测量的室温光荧光谱,图中测量了11个点,从外延片的一端测到另一端,点的间距大约为3~5 mm。图中同时 标出了测量点的激子峰位置。从图中所示的e-hh峰位置可看出,不同位置处e-hh峰有较大的差异,主要是因为生 长时衬底没有旋转,造成阱宽的差异。样片中间位置处e-hh峰大约在845 nm左右,与设计值847 nm基本一致,只要选取材料的适当区域,可制备出满足设计要求的器件

图2 室温光荧光谱

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