1 太原理工大学新材料界面科学与工程教育部重点实验室, 太原 030024
2 山西浙大新材料与化工研究院, 太原 030024
3 太原理工大学材料科学与工程学院, 太原 030024
4 陕西科技大学材料原子·分子科学研究所, 西安 710021)
本文设计了GaAs基1 060 nm高性能激光二极管的有源区结构, 通过在有源区中引入锑化物的应变补偿结构GaAsP/InGaAs/GaAsSb/InGaAsSb/GaAsP, 改变了有源区的能带结构, 解决了禁带宽度对发光波长的限制, 将弱Ⅱ型的量子阱能带结构变为Ⅰ型, 增大了电子空穴的波函数重叠, 提高了激光二极管跃迁概率和辐射复合概率及内量子效率, 降低了非辐射复合, 有效增强了器件输出功率和电光转换效率。同时, 设计了非对称异质双窄波导结构, p侧采用导带差大、价带差小的AlGaAs作为内、外波导层, 有利于价带空穴注入有源区且对导带中的电子形成良好的限制。n侧采用导带差小、价带差大的GaInAsP作为内、外波导层, 有利于导带电子的注入且对价带中的空穴形成更高的势垒。电子注入势垒和空穴注入势垒分别由原先的218、172 meV降低到148、155 meV, 提高了激光二极管的载流子注入效率; 电子泄漏势垒和空穴泄漏势垒分别由252、287 meV上升到289、310 meV, 增强了载流子限制能力。最后获得的激光二极管的输出功率和电光转换效率分别达到了6.27 W和85.39%, 为制备高性能GaAs基1 060 nm激光二极管提供了理论指导和数据支撑。
锑化物 应变补偿量子阱结构 非对称异质双窄波导 输出功率 电光转换效率 1 060 nm激光二极管 大功率 antimonide strain-compensated quantum well structure asymmetric heterogenous double narrow waveguide output power electro-optical conversion efficiency 1 060 nm laser diode high power
1 中国科学院半导体研究所光电子器件国家工程研究中心，北京 100083
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院，北京 100049
3 广东华快光子科技有限公司，广东 中山 528436
4 北京大学信息科学技术学院，北京 100871
应用于掺镱(Yb)光纤激光器的半导体可饱和吸收镜(SESAM)需要具有较高的调制深度，即将较厚的砷化铟镓(InGaAs)材料作为吸收层。然而，InGaAs材料与砷化镓(GaAs)衬底之间的大失配，导致过厚的InGaAs材料质量极易恶化，影响锁模效果。因此，优化的外延结构设计和高质量的外延材料成为研制高性能SESAM的关键。本文设计了吸收层InGaAs材料总厚度分别为150 nm和300 nm的两种应变补偿多量子阱(MQW)结构的SESAM，利用金属有机化合物气相沉积(MOCVD)方法进行外延材料生长，采用光致发光光谱仪、高分辨X射线衍射仪和分光光度计对外延材料特性进行表征，优化外延材料生长参数。将研制的两种SESAM应用到线型腔掺Yb光纤激光器中，实现稳定锁模的泵浦功率分别为130 mW和120 mW，输出激光脉宽分别为18.3 ps和9.6 ps。实验结果表明，吸收层InGaAs材料厚度为300 nm的SESAM更容易实现稳定锁模并获得脉宽较窄的激光脉冲输出。
激光器 超快激光器 半导体可饱和吸收镜 金属有机化合物气相沉积 应变补偿多量子阱结构 中国激光
2022, 49(11): 1101002
1 太原理工大学，新材料界面科学与工程教育部重点实验室，太原 030024
2 太原理工大学轻纺工程学院，太原 030024
3 太原理工大学材料科学与工程学院，太原 030024
4 陕西科技大学，材料原子分子科学研究所，西安 710021
GaAs基980 nm半导体激光器在材料加工、通信和医疗等领域有着重要应用。应变量子阱结构的出现提高了GaAs基半导体激光器的转换效率、输出功率和可靠性。本文综述了高功率GaAs基量子阱激光器历史发展，介绍了高功率半导体激光器的外延结构、芯片结构和封装结构设计，重点阐述了影响高功率GaAs基量子阱激光器光电性能、散热和实际应用的问题。针对以上问题讨论了相应解决方案及研究成果，并指出了各个方案的不足之处和改进方向。最后，总结了高功率半导体激光器的发展现状，对高功率半导体激光器发展方向进行了展望。
GaAs基 高功率 980 nm半导体激光器 应变量子阱结构 转换效率 光电性能 GaAs based high power 980 nm semiconductor laser strain quantum well conversion efficiency optical-electrical performance
自从钙钛矿材料问世以来，有机-无机杂化钙钛矿材料在近数十年的时间得到了蓬勃发展。二维（2D）有机-无机杂化钙钛矿是由典型的无机八面体框架以及不同的有机阳离子构成，其具有本征的量子阱结构和有趣的光电特性，也因此在发光、传感器、调谐、光伏体系以及通讯设备等领域引起了人们的密切关注。低成本、可溶液法制备、以及可替换的有机阳离子等特性使二维杂化钙钛矿在光学和光子应用中具有灵活的层间距，层数和可变的晶格扭曲，从而实现可调节的框架以及在光学和光子学应用中的高调节度。尤其地，它们也表现出突出的二阶、三阶和高阶非线性光学特性，例如在激光脉冲激发下的二次谐波产生（SHG）、太赫兹 、双光子吸收（2PA）和饱和吸收（SA）和三光子吸收（3PA）等。讨论了具有不同结构特点的二维杂化钙钛矿的构建，并重点介绍了这些二维杂化钙钛矿在线性和非线性光学领域地特性和应用。最后，对二维杂化钙钛矿的研究现状进行了评估，并对其未来发展进行了展望。
二维杂化钙钛矿 量子阱结构 结构可调性 非线性光学 2D hybrid perovskites quantum-well structure structure tunability nonlinear optics 红外与激光工程
2020, 49(12): 20201063
1 太原理工大学 物理与光电工程学院, 晋中 030600
2 太原理工大学 信息工程学院, 晋中 030600
3 武汉电信器件有限公司,武汉 430074
为了优化在长距离光纤通讯系统中采用的1.31μm波长的量子阱激光器, 对AlGaInAs/InP材料的有源区应变补偿的量子阱激光器进行了设计研究。采用应变补偿的方法, 根据克龙尼克-潘纳模型理论计算出量子阱的能带结构, 设计出有源区由1.12%的压应变AlGaInAs阱层和0.4%的张应变AlGaInAs垒层构成。使用ALDS软件对所设计出的器件进行了建模仿真, 对其进行了阈值分析和稳态分析。结果表明, 在室温25℃下, 该激光器具有9mA的低阈值电流和0.4W/A较高的单面斜率效率; 在势垒层采用与势阱层应变相反的适当应变, 可以降低生长过程中的平均应变量, 保证有源区良好的生长, 改善量子阱结构的能带结构, 提高对载流子的限制能力, 降低阈值电流, 提高饱和功率, 改善器件的性能。
激光器 量子阱结构 应变补偿 lasers quantum well structure strain compensation AlGaInAs/InP AlGaInAs/InP
南昌大学 国家硅基LED工程技术研究中心, 江西 南昌 330047
使用MOCVD在图形化Si衬底上生长了含V形坑的InGaN/GaN蓝光LED。通过改变生长温度, 生长了禁带宽度稍大的载流子限制阱和禁带宽度稍小的发光阱, 研究了两类量子阱组合对含V形坑InGaN/GaN基蓝光LED效率衰减的影响。使用高分辨率X射线衍射仪和LED电致发光测试系统对LED外延结构和LED光电性能进行了表征。结果表明: 限制阱靠近n层、发光阱靠近p层的新型量子阱结构, 在室温75 A/cm2时的外量子效率相对于其最高点仅衰减12.7% , 明显优于其他量子阱结构的16.3%、16.0%、28.4%效率衰减, 且只有这种结构在低温时(T≤150 K)未出现内量子效率随电流增大而剧烈衰减的现象。结果表明, 合理的量子阱结构设计能够显著提高电子空穴在含V形坑量子阱中的有效交叠, 促进载流子在阱间交互, 提高载流子匹配度, 抑制电子泄漏, 从而减缓效率衰减、提升器件光电性能。
硅衬底 InGaN/GaN蓝光LED 效率衰减 V形坑 量子阱结构 Si substrate InGaN/GaN blue LED efficiency droop V-shaped pits quantum well structure
1 厦门大学 物理系, 福建省半导体材料及应用重点实验室, 半导体光电材料及其高效转换器件协同创新中心, 福建 厦门 361005
2 中国科学院半导体研究所 半导体材料科学重点实验室, 北京 100083
紫外LED的发光功率和效率还远不能令人们满意,波长短于300 nm的深紫外LED的发光效率普遍较低。厘清高Al组分AlGaN多量子阱结构的发光机制将有利于探索改善深紫外LED的发光效率的新途径、新方法。为此,本文通过金属有机气相外延技术外延生长了表面平整、界面清晰可辨且陡峭的高Al组分AlGaN多量子阱结构材料,并对其进行变温光致发光谱测试,结合数值计算,深入探讨了AlGaN量子阱的发光机制。研究表明,量子阱中具有很强的局域化效应,其发光和局域激子的跳跃息息相关,而发光的猝灭则与局域激子的解局域以及位错引起的非辐射复合有关。
多量子阱结构 深紫外LED 发光机制 AlGaN AlGaN MQW deep UV-LED emission mechanism
山西大同大学 固体物理研究所, 山西 大同037009
通过传输矩阵法, 对负介电常数材料和负磁导率材料组成一维光子晶体的多量子阱结构的共振隧穿特性进行了研究。结果表明, 该结构中存在不受入射角和偏振模式影响的全方向共振隧穿模, 其数量可以通过调节结构周期数来实现。共振峰的品质因子可以由外部障碍光子晶体的厚度比例调整。在研究单负材料损耗时, 发现电损耗对低频处共振模影响大, 而磁损耗对高频和低频处都有较大影响。
单负材料 多量子阱结构 光子晶体 single-negative material multiple quantum well structure photonic crystal
1 天津中德职业技术学院, 天津 300350
2 北京交通大学 光电子技术研究所 发光与光信息技术教育部重点实验室, 北京 100044
研究了几种具有不同周期数的量子阱结构和不同势垒层厚度的有机电致发光器件的特性。器件中的量子阱结构是由tris-(8-hydroxyquinoline) aluminum (Alq3)和2,9-dimethyl-4,7 -diphenyl-1,10-phenanthroline(BCP)两种材料制备的。其中Alq3层作为电子的势阱层, BCP层作为电子的势垒层。实验结果表明, 两个周期的阱结构器件的电流效率最高, 为3.46 cd/A, 大约是传统三层结构器件的1.6倍。器件电流效率的提高是由于当阱结构周期数增加时, 阱结构对载流子的限制作用会增强, 这使得势阱层(发光层)中激子的形成几率增大, 因此器件效率提高。但是当量子阱周期数太大时,电流效率反而会降低。在实验过程中, 还研究了不同势垒层厚度对器件特性的影响。实验结果表明,选用适当的阱结构周期数和适当的势垒层厚度, 可以提高有机电致发光器件的性能。
有机量子阱结构 电致发光 亮度 电流效率 organic quantum well structure electroluminescence brightness current efficiency
通过二元系和三元系结构参数计算四元系量子阱结构的晶格常数、禁带宽度等，设计了InGaAsSb/AlGaAsSb结构的MBE生长参数及工艺，利用X射线双晶衍射和PL谱研究了InGaAsSb/AlGaAsSb多量子阱结构特性和光学特性。X射线双晶衍射谱中出现了8条卫星峰，表明制备的InGaAsSb/AlGaAsSb多量子阱结构具有良好的结晶质量。利用光致发光光谱方法对制备的样品的光学性质进行了表征，结果表明，不同组份的InGaAsSb/AlGaAsSb多量子阱的发光峰波长随组份的变化在1.6～2.28 μm范围内可调，样品PL谱的半峰宽最窄可达22 meV。
GaSb衬底 InGaAsSb/AlGaAsSb多量子阱结构 X射线双晶衍射 发光性质 InGaAsSb/AlGaAsSb multi-quantum-wells X-ray double crystal diffraction luminescence properties
