110804125MOCVD法生长量子阱激光器材料的综述1.docx

MOCVD 法生长量子阱激光器材料的综述朱嘉诚 1)110804125 王逸伦 1)110804214 刘桐君 1)110804206 刘恺呈 1)1108042051) 扬州大学物理科学与技术学院摘要：本文通过对金属有机化合物化学气相淀积（MOCVD）法和量子阱激光器基本原理的介绍，总结了使用 MOCVD 法生长量子阱激光器的优势并分为可见光激光器, 光纤通讯用激光器和 808nm 大功率量子阱激光器 3 个方向简单阐述了目前量子阱激光器的一些主要应用最后对量子阱激光器的发展前景作出展望关键词：量子阱激光器；金属有机化合物化学气相淀积1. 引 言半导体激光器自从 1962 年诞生以来, 就以其优越的性能得到了极为广泛的应用, 随着新材料结构和制造工艺的不断提高, 其各方面性能也不断得到改善, 应用范围也渗透到材料加工、精密测量、军事、医学和生物等领域, 正在迅速占领过去由气体和固体激光器所占据的市场20 世纪 80 年代量子阱激光器的出现时半导体激光器发展过程中的里程碑之一制作量子阱结构需要用超薄层的薄膜生长技术, 金属有机化合物化学气相淀积（MOCVD）就是其中之一, 即材料各层结构的外延生长由 MOCVD 的方法来完成, 这一直是长久以来半导体激光器科研的重要方向。

2. 金属有机化合物化学气相淀积（MOCVD ）简介MOCVD(或 MOVPE)意为金属有机化学汽相外延淀积（或金属有机汽相外延） ，是一种制备化合物半导体薄层单晶材料的方法金属有机化学汽相淀积（MOCVD）是在汽相外延生长（VPE）的基础上发展起来的一种新型汽相外延生长技术它采用Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和Ⅴ族元素的氢化物等作为晶体生长原料，以热分解反应方式在衬底上进行汽相外延，生长各种Ⅲ-Ⅴ 族、Ⅱ- Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄膜层单晶材料MOCVD 设备将Ⅱ或Ⅲ族金属有机化合物与 Ⅳ或Ⅴ族元素的氢化物相混合后通入反应腔，混合气体流经加热的衬底表面时，在衬底表面发生热分解反应，并外延生长成化合物单晶薄膜与其他外延生长技术相比，MOCVD 技术有着如下优点：1、用于生长化合物半导体材料的各组分和掺杂剂都是以气态的方式通入反应室，因此，可以通过精确控制气态源的流量和通断时间来控制外延层的组分、掺杂浓度、厚度等可以用于生长薄层和超薄层材料2、反应室中气体流速较快因此，在需要改变多元化合物的组分和掺杂浓度时，可以迅速进行改变，减小记忆效应发生的可能性这有利于获得陡峭的界面，适于进行异质结构和超晶格、量子阱材料的生长。

3、晶体生长是以热解化学反应的方式进行的，是单温区外延生长只要控制好反应源气流和温度分布的均匀性，就可以保证外延材料的均匀性因此，适于多片和大片的外延生长，便于工业化大批量生产4、通常情况下，晶体生长速率与Ⅲ族源的流量成正比，因此，生长速率调节范围较广较快的生长速率适用于批量生长5、使用较灵活原则上只要能够选择合适的原材料就可以进行包含该元素的材料的MOCVD 生长而可供选择作为反应源的金属有机化合物种类较多，性质也有一定的差别6、由于对真空度的要求较低，反应室的结构较简单7、随着检测技术的发展，可以对 MOCVD 的生长过程进行监测3. 量子阱激光器简介量子阱结构的提出源于 60 年代末期贝尔实验室的江崎(Esaki)和朱肇祥关于超薄层晶体的量子尺寸效应的研究他们发现，当超薄有源层材料晶格尺度小于电子的德布罗意波长时，有源区就变成了势阱区，其两侧的宽禁带系材料成为势垒区，电子和空穴沿垂直阱壁方向的运动时将出现量子化特点量子阱是指由窄禁带系超薄层被夹在两个宽带系超薄层之间排列而形成的，具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱在由 2 种不同半导体材料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子渡越函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱。

如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很强，原来在各量子阱中分立的能级将扩展成能带，能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及势垒的厚度有关，这样的多层结构称为超晶格 量子阱结构中因为其有源层厚度仅在电子平均自由程内，所以阱壁起到很好的限制作用，使阱中载流子只在平行与阱壁的平面内有二维自由度在具有二维自由度的量子阱中，电子和空穴的态密度与能量的关系为台阶形状，其阶梯状能带允许注入的载流子依子代逐级填充，提高了注入有源层内载流子的利用率，故量子阱激光器的微分增益远高于一般体材料激光器综上,利用 MOCVD 法易于通过精确控制气态源的流量和通断时间来控制外延层的组分、掺杂浓度、厚度等；反应室中气体流速较快，有利于获得陡峭的界面，适于进行异质结构和超晶格、量子阱材料的生长；适于多片和大片的外延生长，便于工业化大批量生产且使用灵活，对真空要求低，反应室结构简单等优势MOCVD 外延生长是目前发展水平较为成熟，外延质量较高的外延生长方法所以相较于分子束外延（MBE） ，化学束外延（CBE）等方法，选择 MOCVD 法生长量子阱激光器材料4．量子阱半导体激光器的主要应用及进展4.1 可见光半导体激光器红光半导体激光器主要应用在光信息存储、条形码识别、激光打印、医学仪器等方面，而蓝绿激光在海洋探测中发挥作用，另外，RGB 半导体光源将对图像及信息处理产生重大影响。

目前，红光半导体激光器已逐渐取代传统的气体激光器, 例如，InGaAlP 材料的红光应变量子阱激光器已经实现了产品化随着其性能的不断提高，有望在一定程度上取代 He-Ne 激光器 蓝绿光激光器经过了一个相当困难的阶段才逼近市场，主要是由于材料与衬底的匹配以及制作工艺等原因 4.2 光纤通讯中半导体激光器及大功率半导体激光器 作为光源，量子阱（特别是应变量子阱）半导体激光器除具有半导体激光器的体积小，价格低，可以直接调制等优点外，还有好的动态特性，低的阈值电流，引入光栅进行分布反馈等特点，其已然成为目前高速通信中最为理想的光源 作为 EDFA 的泵浦源，980nm 低阈值大功率AlGaAs/InGaAs，InGaAlP/InGaAs，等应变量子阱激光器相继研制成功，且可以获得比 1480nm 波段泵浦更高的耦合效率 应变量子阱材料半导体光放大器（SLA）具有宽且平的增益谱，易集成，低损耗，体积小，价格便宜等优点，最重要的应用是波长转换器，实现灵活的波长路由此外，还希望用其作为光传输系统中 1310nm 窗口的功率放大器，线路放大器和前置放大器以及利用 SLA 中的非线性来作啁啾补偿和色散补偿。

大功率半导体激光器主要用于泵浦固体激光器（DPSSL） 、泵浦光纤放大器及生物学、医学等4.3 大功率 808 nm 半导体激光器 大功率808 nm 半导体激光器主要应用于工业激光加工、Nd∶YAG全固态激光器泵浦源和激光医疗等方面，随着激光器在激光显示等新应用领域的拓展，对其功率输出性能、光电效率及光谱特征等各方面提出了更为严苛的要求目前较为成熟的808 nm 激光器主要采用InGaAlAs /AlGaAs 或InGaAsP /AlGaAs 材料体系，通过设计大光腔，甚至是超大光腔结构降低腔面功率密度，从而实现大功率输出但是这种方法通常会带来光学限制因子降低、高阶模式产生、阈值增大、串联电阻增加等诸多问题为避免上述不利因素影响，同时兼顾激光显示领域非线性极化晶体PPLN 对半导体激光器TM 模式偏振方向的特殊需求采用GaAsP张应变量子阱获得TM 模式偏振激光输出，利用非对称光波导限制结构有效的降低了内吸收，进而通过低压金属有机物化学气相沉积( LP-MOCVD) 技术精细调整生长条件，制备了高质量的外延材料，最终获得了腔长1500 μm 激光二极管器件，连续电流下最大输出功率超过11 W。

5．量子阱激光器未来展望目前，量子阱激光器的许多研究还处于发展阶段，许多问题值得我们继续思考：如，半导体激光器现存的温度尺寸阈值、波长、效率等的依赖关系能否消除；微型器件的尺寸对输出功率范围的限制；如何实现完全控制自发辐射；如何进一步提高材料的制作工艺等从异质结到量子阱、应变量子阱，半导体激光器的性能出现了大的飞跃，以其转换效率高、体积小、重量轻、可靠性高、能直接调制及以其他半导体器件集成的能力强等特点成为信息技术的关键器件并随着其发展，在材料加工、精密测量、军事、生物、医学等领域显示出巨大潜力量子阱半导体激光器也将是光子集成和光电子集成的核心器件随着新的有源材料、新的器件结构、更好的制作工艺的不断涌现，量子阱半导体激光器的性能将得到不断提高、波长范围不断拓宽，其发展前景将更加光明参考文献[1] 黄德修, 半导体光电子学..北京：电子工业出版社, 2012:183-199[2] 杨树人, 王宗昌, 王兢, 半导体材料（第三版）. 北京:科学出版社 2013:87-113[3] 卢励吾, 周洁, 庄婉如, 梅野正羲, MOCVD 生长的硅衬底上 GaAlAs/GaAs 单量子阱和多量子阱激光器深能级研究, 半导体学报, 1992 第三期[4] Zhu J H , Li L, Liu Z． CO2 and Diode Laser Welding of AZ31 Magnesium Alloy［ J］ ． Applied Surface Science, 2005, 247( 1-4) : 300-306．[5] Chen W R, Adamsc R L, Heaton S, et al． Chromophore-Enhanced Laser-tumor Tissue Photothermal Interaction Using an 808 nm Diode Laser［J］． Cancer Letters, 1995, 88( 1) : 15-19．[6] 李沛旭, 夏伟, 李树强, 张新 , 汤庆敏, 任忠祥, 徐现刚, MOCVD 生长 AlGaInP/InGaAsP大功率808 nm 无铝量子阱激光器, 第十五届全国化合物半导体材料 , 微波器件和光电器件学术会议.[7] Yamanaka F, Wada M , Kuiyasu T, et al． 2 W Reliable Operation in 50μm-wide InGaAsP /InGaP /AlGaAs ( λ = 810 nm) SQW Diode Laserswith Tensile-strained InGaP Barriers［J］ ． Electron Lett．, 2001, 37( 21) : 1289-1290．[8] D. Kasemset, 程阜民, 用 MOCVD 制作极窄的改进型单量子阱激光器, 半导体光电学报, 1983年01期[9] 章其麟, 关兴国 , 刘英斌, 张正德, 张荣桂, MOCVD 生长带有 MQB 的量子阱激光器材料, 半导体情报, 1995年 04期[10] 蒋锴, 李沛旭 , 张新, 李树强, 夏伟, 汤庆敏, 胡小波, 徐现刚, , MOCVD 生长GaAsP/InGa(Al)P/GaAs 大功率808nm 张应变量子阱激光器材料, 人工晶体学报, 2012年 S1期[11] Wang J, Ma X Y, Lin T, et al． Design of SCH Structure for High-Power Broad Area 808 nm GaAsP /AlGaAs Quantum-Well Lasers［J］ ． ChineseJournal of Semiconductors, 2005, 126( 12) ; 2449-2453( in Chinese) ． ［J］ ． Cancer Letters, 1995, 88( 1) : 15-19．。