銻化物中紅外帶間級(jí)聯(lián)激光器制備及性質(zhì)研究
發(fā)布時(shí)間：2021-02-11 09:38
中紅外波段光電子器件在國防事業(yè)和民用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。銻化物半導(dǎo)體材料是目前中紅外波段光電子器件的首選材料。利用銻基的In As/Ga Sb II類超晶格為有源區(qū)材料的銻化物帶間級(jí)聯(lián)激光器在紅外對(duì)抗、戰(zhàn)場氣體探測、戰(zhàn)場醫(yī)療、戰(zhàn)場空間通訊以及環(huán)境污染檢測和醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)有著廣泛的應(yīng)用前景,成為本領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究內(nèi)容。本論文針對(duì)銻化物帶間級(jí)聯(lián)激光器的核心,即有源區(qū)材料（In As/Ga Sb）發(fā)光效率低的關(guān)鍵科學(xué)問題,探索基于新的Ga Sb材料體系的高發(fā)光性能的破隙結(jié)構(gòu)II型超晶格有源區(qū)的設(shè)計(jì)理念與實(shí)現(xiàn)方式。提出新的單分子層分布外延生長策略,有效解決InxGa1-xAsySb1-y四元合金所面臨的不互熔隙問題;設(shè)計(jì)多種新型II類超晶格材料,采用更有效的材料表征方式與手段,分析材料物理性能,最終討論此類新型有源區(qū)材料在紅外波段半導(dǎo)體激光器中應(yīng)用前景,為高性能紅外波段半導(dǎo)體光電子器件研制提供新的材料技術(shù)與技術(shù)方案。具體開展如下研究內(nèi)容。單分子層分布外延策略下的多元合金外延生長:針對(duì)其中InxG...
【文章來源】：長春理工大學(xué)吉林省
【文章頁數(shù)】：109 頁
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【部分圖文】：
InAs/GaSb超晶格結(jié)構(gòu)圖
圖1.10 InAs/GaSb超晶格結(jié)構(gòu)圖超晶格的設(shè)想在MBE技術(shù)出現(xiàn)以后才得以實(shí)現(xiàn),這是一種在超高真空條件下用高純源材料制備薄膜的技術(shù)(如圖1.11)。MBE具有在原子層量級(jí)控制薄膜層厚的能力,可以制備界面平整成分陡峭的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。即便如此,在超晶格的制備中還需要對(duì)生長溫度、生長速率、界面類型以及組成材料的層厚進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化,才能實(shí)現(xiàn)兩種材料的完美結(jié)合,制備出高質(zhì)量的超晶格材料。在銻化物超晶格材料的生長中還存在有Sb元素在生長表面的偏析、無共用原子造成的界面失配以及界面處的V族元素互換等問題,這些材料屬性引起的生長問題會(huì)明顯的影響能帶設(shè)計(jì)所期望的光電特性,由銻化物超晶格材料制備的實(shí)用化器件也在近20年內(nèi)才陸續(xù)出現(xiàn)。
圖1.12給出了半導(dǎo)體材料中光學(xué)激子激發(fā)過程。在光電探測器中,輻射是通過與束縛在晶格原子、雜質(zhì)原子或自由電子上的電子相互作用而被物質(zhì)吸收的。觀察到的電輸出信號(hào)是由改變的電子能量分布引起的。如圖1.12(b)在量子阱中,子帶間吸收發(fā)生在與導(dǎo)帶(n摻雜)或價(jià)帶(p摻雜)相關(guān)聯(lián)的量子阱能級(jí)之間。如圖1.12(c),在II型In As/Ga Sb超晶格的情況下,超晶格帶隙由電子微帶E1和布里淵區(qū)中心的第一重空穴態(tài)HH1之間的能量差確定。第二類能帶排列的結(jié)果是電子和空穴的空間分離。I型超晶格由可變厚度的寬帶隙的Al Ga As和在帶隙的Ga As交替組成(見圖1.13)。能帶的排列方式如圖所示。對(duì)紅外光的吸收過程主要是通過導(dǎo)帶量子化效應(yīng)后,帶間能級(jí)之間的躍遷實(shí)現(xiàn)的。Al Ga As層是作為非常厚的屏障層,可以抑制過載電流,比如超晶格的隧穿。量子阱的吸收系數(shù)通常很小,所以要根據(jù)光學(xué)躍遷的選擇機(jī)制,采用巧妙的技巧將入射的輻射有效地耦合到結(jié)構(gòu)中。Al Ga As/Ga As QWIP結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)復(fù)雜度小和低1/f噪聲。缺點(diǎn)是暗電流大,量子效率低,工作溫度低。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Mid-infrared silicon photonic waveguides and devices [Invited][J]. YI ZOU,SWAPNAJIT CHAKRAVARTY,CHI-JUI CHUNG,XIAOCHUAN XU,RAY T.CHEN. Photonics Research. 2018(04)
[2]銻化物中紅外半導(dǎo)體激光器研究進(jìn)展[J]. 鄒永剛,魏志鵬,馬曉輝,史全林,劉國軍,隋慶學(xué),張志敏. 長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2011(03)
博士論文
[1]中紅外波段銻化物激光器、探測器器件與物理研究[D]. 張雄.中國科學(xué)院研究生院（上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所） 2004
[2]2μm銻化物激光器、探測器材料、器件及物理[D]. 林春.中國科學(xué)院上海冶金研究所 2001
本文編號(hào)：3028903
【文章來源】：長春理工大學(xué)吉林省
【文章頁數(shù)】：109 頁
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【部分圖文】：
InAs/GaSb超晶格結(jié)構(gòu)圖
圖1.10 InAs/GaSb超晶格結(jié)構(gòu)圖超晶格的設(shè)想在MBE技術(shù)出現(xiàn)以后才得以實(shí)現(xiàn),這是一種在超高真空條件下用高純源材料制備薄膜的技術(shù)(如圖1.11)。MBE具有在原子層量級(jí)控制薄膜層厚的能力,可以制備界面平整成分陡峭的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。即便如此,在超晶格的制備中還需要對(duì)生長溫度、生長速率、界面類型以及組成材料的層厚進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化,才能實(shí)現(xiàn)兩種材料的完美結(jié)合,制備出高質(zhì)量的超晶格材料。在銻化物超晶格材料的生長中還存在有Sb元素在生長表面的偏析、無共用原子造成的界面失配以及界面處的V族元素互換等問題,這些材料屬性引起的生長問題會(huì)明顯的影響能帶設(shè)計(jì)所期望的光電特性,由銻化物超晶格材料制備的實(shí)用化器件也在近20年內(nèi)才陸續(xù)出現(xiàn)。
圖1.12給出了半導(dǎo)體材料中光學(xué)激子激發(fā)過程。在光電探測器中,輻射是通過與束縛在晶格原子、雜質(zhì)原子或自由電子上的電子相互作用而被物質(zhì)吸收的。觀察到的電輸出信號(hào)是由改變的電子能量分布引起的。如圖1.12(b)在量子阱中,子帶間吸收發(fā)生在與導(dǎo)帶(n摻雜)或價(jià)帶(p摻雜)相關(guān)聯(lián)的量子阱能級(jí)之間。如圖1.12(c),在II型In As/Ga Sb超晶格的情況下,超晶格帶隙由電子微帶E1和布里淵區(qū)中心的第一重空穴態(tài)HH1之間的能量差確定。第二類能帶排列的結(jié)果是電子和空穴的空間分離。I型超晶格由可變厚度的寬帶隙的Al Ga As和在帶隙的Ga As交替組成(見圖1.13)。能帶的排列方式如圖所示。對(duì)紅外光的吸收過程主要是通過導(dǎo)帶量子化效應(yīng)后,帶間能級(jí)之間的躍遷實(shí)現(xiàn)的。Al Ga As層是作為非常厚的屏障層,可以抑制過載電流,比如超晶格的隧穿。量子阱的吸收系數(shù)通常很小,所以要根據(jù)光學(xué)躍遷的選擇機(jī)制,采用巧妙的技巧將入射的輻射有效地耦合到結(jié)構(gòu)中。Al Ga As/Ga As QWIP結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)復(fù)雜度小和低1/f噪聲。缺點(diǎn)是暗電流大,量子效率低,工作溫度低。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Mid-infrared silicon photonic waveguides and devices [Invited][J]. YI ZOU,SWAPNAJIT CHAKRAVARTY,CHI-JUI CHUNG,XIAOCHUAN XU,RAY T.CHEN. Photonics Research. 2018(04)
[2]銻化物中紅外半導(dǎo)體激光器研究進(jìn)展[J]. 鄒永剛,魏志鵬,馬曉輝,史全林,劉國軍,隋慶學(xué),張志敏. 長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2011(03)
博士論文
[1]中紅外波段銻化物激光器、探測器器件與物理研究[D]. 張雄.中國科學(xué)院研究生院（上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所） 2004
[2]2μm銻化物激光器、探測器材料、器件及物理[D]. 林春.中國科學(xué)院上海冶金研究所 2001
本文編號(hào)：3028903
本文鏈接：http://www.sikaile.net/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/3028903.html
最近更新
教材專著
