852nm半导体激光器结构设计与外延生长

半导体激光器因其具有低阈值、寿命长、体积小、可靠性高和转换效率高等优点，被广泛应用于国防工业、通信领域、医疗领域和工业处理等领域。本文设计并外延生长了用于铯（Cs）原子钟的852nm半导体激光器，围绕半导体激光器需要具有较高的波长温漂稳定性的要求，开展了852nm半导体激光器芯片设计、外延生长以及器件制作研究。本论文主要研究内容和成果如下：1.优化设计了852nm半导体激光器芯片结构。根据应变量子阱理论，分析并使用PICS3D软件模拟对比了量子阱材料分别为InAlGaAs、InGaAsP、InGaAs和GaAs的增益峰值强度、增益峰值和发射波长随温度的漂移、以及不同量子阱材料激射波长与厚度关系。理论分析和模拟对比的结果证明采用8nm厚的In0.15Al0.11Ga0.74As/Al0.3Ga0.7As作为852nm半导体激光器的量子阱，既可以使器件具有较高的增益峰值，也可以使其拥有良好的波长漂移稳定性。为了减小器件的串联电阻和热阻，并降低器件的光损耗，波导层采用渐变组分AlGaAs，包层采用Al0.55Ga0.3As材料，掺杂设计成渐变掺杂。2.使用金属有机化合物气相外延（MOCVD）技术外延生长了852nm半导体激光器。利用原位监测技术中的反射各向异性谱（RAS）研究了外延生长过程中生长温度和中断时间对InAlGaAs/AlGaAs量子阱的影响，通过在线监测发现了高温生长可以导致InAlGaAs量子阱层与AlGaAs势垒层之间的In析出现象，证明了采用低温生长并同时在InAlGaAs/AlGaAs界面处使用中断时间，可以有效抑制In析出，从而获得InAlGaAs/AlGaAs陡峭界面和良好的外延质量。采用优化后的生长条件，使用MOCVD外延生长了本文所设计的852nm半导体激光器，通过RAS在线监测该激光器的外延生长过程，发现了RAS可以有效的分辨出不同外延层和生长阶段，证明了RAS是在线监测半导体激光器外延生长的有力工具，并且可以通过原位监测优化外延生长工艺条件。3.基于本实验室MOCVD外延生长参数和反应室结构，使用Procom软件模拟了生长GaAs时反应室中的气体流量分布和温度分布。研究发现在线监测得到的反射各向异性谱和反射谱可以有效探测到不同组分的AlGaAs外延层的变化信息，实验表明反射谱中的振荡周期可以在线计算AlGaAs外延层的组分和生长速率，在线计算得到生长速率和组分与扫描电镜和高分辨X射线衍射测试得到的结果吻合较好。4.研制出852nm半导体激光器器件。采用本实验室制备工艺，研制出腔长为1mm，条宽为100μm的852nm半导体激光器，该激光器光谱的半高宽为1.1nm，在室温25°C时，阈值电流为50mA，斜率效率是0.64W/A，电光转换效率为31.6%，外加电流为500mA时，输出功率为290mW，激射波长随温度漂移为0.256nm/K，该结果与理论模拟设计的数值吻合。