SEED列陣研制適合于倒裝焊結(jié)構(gòu)的量子阱外延材料

1.量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多量子阱吸收區(qū)的設(shè)計(jì)主要應(yīng)考慮阱寬、壘寬、阱深和阱的數(shù)目的選取。吸收區(qū)中所采用的異質(zhì)結(jié)構(gòu)為 GaAs/Ga1-xAlxAs材料系的多量子阱，組分x取為0.3左右。阱寬的選擇首先應(yīng)考慮使激子吸收峰處于工作波長(zhǎng)附近 。我們所研制的SEED器件工作波長(zhǎng)要求在850～860 nm范圍，根據(jù)理論計(jì)算，取阱寬為10 nm，此時(shí)重空穴激子吸 收峰在850 nm附近。另一方面，量子阱限制Stark效應(yīng)所引起的激子吸收峰紅移隨阱寬的增加而增大，因此適當(dāng)增 加阱的寬度可以增強(qiáng)QCSE效應(yīng)。但阱寬也不能太大，對(duì)于GaAs材料，當(dāng)阱寬接近或大于30 nm(三維激子直徑)時(shí) ，量子阱材料就接近或變成體材料了。因此在受阱寬影響的紅移效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)之間應(yīng)做折中選擇，一般認(rèn) 為取5～15 nm為宜。在勢(shì)壘寬度的設(shè)計(jì)中，由于是多量子阱結(jié)構(gòu)，所以應(yīng)注意避免阱間電子、空穴波函數(shù)的耦合 。勢(shì)壘過窄，阱間耦合加強(qiáng)，使激子峰展寬;勢(shì)壘過寬會(huì)增大i區(qū)長(zhǎng)度，使GaAs阱區(qū)的有效吸收長(zhǎng)度所占比例減少 ，一般選取4～8 nm。

為了增加吸收區(qū)長(zhǎng)度，一般采用多周期的量子阱結(jié)構(gòu)，其周期數(shù)目的設(shè)計(jì)原則是量子阱數(shù)目既不能過少，也不 應(yīng)過多。阱數(shù)過少，對(duì)入射光的吸收不夠大，不容易提高對(duì)比度;阱數(shù)過多一方面使損耗增大，另一方面光束在 阱區(qū)內(nèi)就已被全部吸收掉，多余的量子阱將造成不必要的浪費(fèi)。另外，過多的量子阱還會(huì)使i區(qū)長(zhǎng)度過大，需要加 較高的反向偏壓才能使空間電荷區(qū)耗盡，這樣會(huì)增大工作電壓，同時(shí)也不利于對(duì)比度的提高。

在設(shè)計(jì)SEED器件時(shí)，外加電場(chǎng)為零時(shí)e￣hh的位置是比較重要的，它決定了器件的工作波長(zhǎng)，激光器的波長(zhǎng)必須 與之匹配。表1給出了不同阱寬的GaAs/AlO.3Ga07As量子阱零外場(chǎng)下電子和輕重空穴的本征能量和e-hh峰對(duì)應(yīng) 的波長(zhǎng)。

表1 不同阱寬的GaAs/AlO.3GaO.7As量子阱外加電場(chǎng)為零時(shí)，電子和輕重空穴的本征能量和e-hh峰能量和波長(zhǎng)(GaAs禁帶寬度取為1.424 eV，激子束縛能取8 meV)

由于用于倒裝焊的SEED器件底部沒有DBR反射層，而是靠器件表面的金屬作反射鏡，反射率比較低。器件一般在 頂部鍍減反膜以消除非對(duì)稱法布里-珀羅(ASFP)腔諧振吸收作用，因?yàn)橐r底腐蝕掉后，SEED器件本身只有1～2 μm的厚度，腐蝕引入的不均勻性很難使ASFP腔的模式處在同一個(gè)位置?？紤]到不能利用ASFP腔的吸收增強(qiáng)作用來 增大吸收和提高對(duì)比度，因此，為了增大i區(qū)的吸收適當(dāng)增加了量子阱的數(shù)目(取為90)，同時(shí)降低量子阱勢(shì)壘的 厚度(取為4 nm)，以降低工作電壓。圖1是所設(shè)計(jì)的適用于倒裝焊的SEED器件量子阱結(jié)構(gòu)。其中底部的AlAs層是 用來腐蝕襯底時(shí)作腐蝕停止層用的，厚度取137 nm是考慮到有可能采用AlAs的氧化工藝制作減反膜，因而AlAs厚 度取三氧化二鋁的1/4波長(zhǎng)厚。量子阱寬度取8.5 nm，對(duì)應(yīng)的e￣hh峰波長(zhǎng)，根據(jù)表1取為847 nm左右;器件常通 工作，其工作波長(zhǎng)一般應(yīng)大于e-hh峰7 nm，即在854 nm工作波長(zhǎng)，與常用的850 nm工作波長(zhǎng)相比，工作波長(zhǎng)變長(zhǎng) 了，雖然減小阱寬可以減小工作波長(zhǎng)，但阱寬小時(shí)，量子限制Stark效應(yīng)減弱，因而設(shè)計(jì)時(shí)還是采用了較長(zhǎng)的工作 波長(zhǎng)。由于器件頂部鍍減反膜，反射率R可表示為：R=Rbe-2ad為金屬鏡的反射率，設(shè)為90%，假設(shè)加電場(chǎng)時(shí)的吸 收系數(shù)為1 0 000/cm，則低態(tài)反射率：RL=20%;設(shè)外場(chǎng)為零時(shí)的吸收系數(shù)為2500/cm，則高態(tài)反射率：RH=61% 。相應(yīng)器件對(duì)比度大約為3，高低態(tài)反射率差為41%。

圖1 適用于倒裝焊的SEED it件量子阱結(jié)構(gòu)

2.光熒光譜測(cè)量

對(duì)于用于倒裝焊的SEED器件，由于底部沒有高反射率的DBR，一般可采用光熒光譜的方法確定其激子峰位置。圖2 為所測(cè)量的室溫光熒光譜，圖中測(cè)量了11個(gè)點(diǎn)，從外延片的一端測(cè)到另一端，點(diǎn)的間距大約為3～5 mm。圖中同時(shí) 標(biāo)出了測(cè)量點(diǎn)的激子峰位置。從圖中所示的e-hh峰位置可看出，不同位置處e-hh峰有較大的差異，主要是因?yàn)樯?長(zhǎng)時(shí)襯底沒有旋轉(zhuǎn)，造成阱寬的差異。樣片中間位置處e-hh峰大約在845 nm左右，與設(shè)計(jì)值847 nm基本一致，只要選取材料的適當(dāng)區(qū)域，可制備出滿足設(shè)計(jì)要求的器件。

圖2 室溫光熒光譜