Si_xN_y常被用作量子阱混杂(QWI)的抑制材料,为了探索Si_xN_y的生长工艺对InGaAs/GaAs量子阱结构混杂效果的影响,对等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法的工艺参数,如沉积时间、SiH₄流量以及射频(RF)功率进行一系列实验。实验结果表明:Si_xN_y可以较好地保护量子阱,但其厚度对QWI抑制效果的影响较小;当SiH₄流量较大时,Si_xN_y中富Si,退火过程中Si可能发生扩散而与P型欧姆接触层形成电补偿,同时诱导量子阱混杂,使其波长发生较大蓝移;减少SiH₄流量,Si_xN_y中Si的含量降低,折射率降低,但蓝移量仍较大;在一定范围内,蓝移量随着RF功率的增大而增大;当RF功率为50 W、SiH₄流量为50 sccm时,Si_xN_y起到较好的量子阱保护作用,蓝移量仅为14.1 nm。

为了解决限制近红外单发射区InGaAs/AlGaAs量子阱半导体激光二极管失效阈值功率提升的腔面光学灾变损伤问题, 研制了一种带有Si杂质诱导量子阱混杂非吸收窗口的新型激光二极管, 并对其性能进行了测试分析。首先, 对于带有非吸收窗口的二极管, 在其谐振腔上方前后腔面附近的窗口区域覆盖50 nm Si/100 nm SiO2组合介质层, 在远离腔面的增益区域覆盖50 nm Si/100 nm TiO2组合介质层, 并采用875 ℃/90 s快速热处理工艺促进Si杂质扩散诱导量子阱混杂并去除非辐射复合中心。然后, 基于相同外延结构、相同流片工艺制备了无非吸收窗口的激光二极管作对照组。测试结果显示, 带有非吸收窗口的新型激光二极管平均峰值输出功率提升约33.6%, 平均峰值输出电流提升约50.4%, 腔面光学灾变损伤的发生概率和破坏程度均明显降低, 且其阈值电流、斜率效率及半高全宽等特性也无任何退化。该研究证明, 采用Si杂质诱导量子阱混杂技术制备的非吸收窗口, 对近红外单发射区InGaAs/AlGaAs量子阱半导体激光二极管腔面光学灾变损伤有明显的抑制效果。

为了获得更好的量子阱混杂效果,深入探讨了不同Al组分的扩散阻挡层对无杂质空位诱导量子阱混杂的影响。首先在两种不同Al组分外延片表面上分别生长了一层200 nm厚的SiO₂介质薄膜,然后在865~905 ℃温度范围内,进行了90 s的高温快速热退火处理。实验结果表明,低铝结构的波长蓝移量更大,且光致发光 (Photoluminescence,PL)谱的强度下降更小,这说明在无杂质空位诱导量子阱混杂中,外延结构中的Al和Ga对点缺陷扩散的影响是不同的,Ga更有利于点缺陷的扩散。研究结果为无杂质空位诱导量子阱混杂的理论研究及器件的外延结构设计提供了参考。

光学灾变损伤(COD)常发生于量子阱半导体激光器的前腔面处, 极大地影响了激光器的出光功率及寿命。通过杂质诱导量子阱混杂技术使腔面区波长蓝移来制备非吸收窗口是抑制腔面COD的有效手段, 也是一种高效率、低成本方法。本文选择了Si杂质作为量子阱混杂的诱导源, 使用金属有机化学气相沉积设备生长了InGaAs/AlGaAs量子阱半导体激光器外延结构、Si杂质扩散层及Si3N4保护层。热退火处理后, Si杂质扩散诱导量子阱区和垒区材料互扩散, 量子阱禁带变宽, 输出波长发生蓝移。退火会影响外延片的表面形貌, 而表面形貌则可能会影响后续封装工艺中电极的制备。结合光学显微镜及光致发光谱的测试结果, 得到825 ℃/2 h退火条件下约93 nm的最大波长蓝移量, 也证明退火对表面形貌的改变, 不会影响波长蓝移效果及后续电极工艺。

为实现InP基单片集成光电子器件和系统,对InGaAsP/InGaAsP分别限制异质结多量子阱激光器结构展开量子阱混杂(QWI)技术研究。在不同能量P离子注入、不同快速热退火(RTA)条件以及循环退火下,研究了有源区量子阱混杂技术,实验结果采用光致发光(PL)谱进行表征。实验结果表明:在不同变量下皆可获得量子阱混杂效果,其中退火温度影响最为显著,且循环退火可进一步提高量子阱混杂效果;PL谱蓝移随着退火温度、退火时间和注入能量的增大而增大,退火温度对蓝移的影响最大,在注入剂量为1×10 14 ion/cm 2,注入能量为600 keV,750 ℃二次退火150 s时获得最大蓝移量116 nm。研究结果为未来基于QWI技术设计和制备单片集成光电子器件和系统奠定了基础。