利用严格耦合波理论和时域有限差分方法设计了一种应用于940 nm垂直腔面发射激光器的Si基零折射率对比度光栅反射镜。对零对比度亚波长光栅(Zero-index-Contrast subwavelength Grating, ZCG)的高反射特性进行了研究，分析了ZCG实现宽带高反射的条件。此外，讨论了光栅结构参数对反射性能的影响并计算了制作公差，模拟分析了ZCG尺寸与垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)氧化孔径尺寸对镜面损耗的影响。所设计的ZCG带宽可达280 nm, Δλ/λ0=29.8%。该反射镜可以替代VCSEL中传统的分布式布拉格反射镜，降低了工艺难度和生长成本，同时有利于VCSEL与其他Si基光电子器件的集成。

为了降低微盘腔半导体激光器工作时有源区的温度, 提升封装的可靠性, 基于Ansys Workbench有限元分析分别对AlN, WCu10, SiC, 石墨烯, 以及CVD金刚石过渡热沉封装的蜗线型微盘腔半导体激光器进行了热特性分析, 得到了器件工作时的温度分布以及热应力、热应变分布。结果显示, SiC封装器件的有源区温度较AlN和WCu10封装器件分别降低了2.18, 3.078℃, 并在五种过渡热沉封装器件中表现出最低的热应力, 器件热应变最小。SiC过渡热沉封装可以有效降低微盘腔半导体激光器工作时的有源区温度, 同时减少封装应力与器件应变, 从而提高器件的散热能力和可靠性。计算结果对半导体激光器单管散热及阵列集成散热均有指导意义。

湿法氧化工艺是垂直腔面发射激光器(VCSEL) 制备过程中极为关键的技术,但目前氧化工艺的稳定性和可控性仍有待完善。针对氧化过程中的核心因素——氧化温度进行深入研究,通过设置对照实验,探究了氧化温度对氧化速率及氧化孔形状的作用规律,这对精确控制氧化孔的尺寸和形貌并改善器件的电光特性具有重要意义。同时根据AlGaAs氧化反应机理,优化设计了氧化温控曲线,实验结果表明,通过该氧化温控氧化的样品具有非常良好的热稳定性,整体结构可靠性高。

在氧化物限制型垂直腔面发射激光器制备中,刻蚀GaAs/AlGaAs时因异质型材料常出现选择性内蚀现象,这会直接影响后续的氧化工艺及电极钝化的效果。针对因选择性内蚀而出现的“镂空”现象,对湿法刻蚀工艺和干法刻蚀工艺进行详细研究,研究结果表明通过调整刻蚀液体积配比和感应耦合等离子体(ICP)刻蚀下电极射频功率可有效消除“镂空”现象。湿法刻蚀中,当刻蚀液H3PO4-H2O2-H2O各物质体积配比为1∶1∶10时,得到了陡直度较好且光滑的侧壁。ICP干法刻蚀时,通过改变下电极RF功率可调整腔室内的化学刻蚀和物理刻蚀的动态平衡,在下电极射频功率为100 W时,“镂空”现象基本消失,且侧壁陡直度大于80°。

针对当前2.0 μm GaSb基垂直腔面发射激光器发展中由于传统的P面分布布拉格反射镜(P-DBRs)带来的高电阻和严重光吸收这一瓶颈问题, 采用严格耦合波方法仿真设计了含高对比度亚波长光栅(HCG)的P面反射镜.实验结果表明, 这种制备工艺简单的反射镜在2.0 μm 中心波长附近, TM波入射时反射率超过99.5%的高反射带宽为278 nm, 反射率99.9%以上的高反射带宽达到148 nm, 完全能够满足VCSEL对谐振腔镜的要求, 且能有效避免因异质外延等造成反射镜衍射特性劣化等问题.

由于1.55 μm波段广泛应用于通信领域, 为了探索不同生长温度对InN量子点的形貌影响, 并且实现自组装InN量子点在1.55 μm通信波段的发光, 对InN量子点的液滴外延及物性进行了相关研究。首先利用射频等离子体辅助分子束外延(PA-MBE)技术在GaN模板上, 采用液滴外延方法在3种温度下生长了InN量子点结构。生长过程中靠反射高能电子衍射(RHEED)对样品进行原位监控。原子力显微镜(AFM)表征结果表明随着生长温度升高, 量子点尺寸变大, 密度减小。在生长温度350 ℃和400 ℃下, 观测到了量子点; 当温度高于450 ℃时, 未观测到InN量子点。当生长温度为400 ℃时, 量子点形貌最好, 密度为6×108/cm2,对400 ℃下生长的InN量子点进行了变温PL测试, 成功得到InN量子点在1.55 μm波段附近的光致发光, 并且随着测试温度的升高, 量子点的发光峰位发生了先红移后蓝移最后又红移的S型曲线变化, 这种量子点有望在未来应用于量子通信领域。

为了实现在GaSb衬底上获得低应力的SiO2薄膜, 研究了等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在晶格失配较大的GaSb衬底上沉积SiO2薄膜的应力情况。通过改变薄膜沉积时的工艺条件, 如反应温度、射频功率、反应压强、气体流量比, 并基于曲率法模型, 对镀膜前后的曲率半径进行了实验测量, 利用Stoney公式计算相关应力值并绘制应力变化曲线。详细讨论了PECVD工艺条件的改变对SiO2薄膜应力所产生的影响。同时通过在Si衬底上沉积SiO2薄膜, 对比分析了导致薄膜应力产生的因素及变化过程。实验结果表明, 在沉积温度为300 ℃、射频功率为20 W、腔体压强为90 Pa、气体流量比SiH4/N2O为125/70 cm3·min-1的工艺参数下, PECVD法在GaSb衬底上沉积的SiO2薄膜应力相对较小。