SEED列陣研制適合于倒裝焊結構的量子阱外延材料

1.量子阱結構設計

多量子阱吸收區的設計主要應考慮阱寬、壘寬、阱深和阱的數目的選取。吸收區中所采用的異質結構為 GaAs/Ga1-xAlxAs材料系的多量子阱，組分x取為0.3左右。阱寬的選擇首先應考慮使激子吸收峰處于工作波長附近 。我們所研制的SEED器件工作波長要求在850～860 nm范圍，根據理論計算，取阱寬為10 nm，此時重空穴激子吸 收峰在850 nm附近。另一方面，量子阱限制Stark效應所引起的激子吸收峰紅移隨阱寬的增加而增大，因此適當增 加阱的寬度可以增強QCSE效應。但阱寬也不能太大，對于GaAs材料，當阱寬接近或大于30 nm(三維激子直徑)時 ，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和量子尺寸效應之間應做折中選擇，一般認 為取5～15 nm為宜。在勢壘寬度的設計中，由于是多量子阱結構，所以應注意避免阱間電子、空穴波函數的耦合 。勢壘過窄，阱間耦合加強，使激子峰展寬;勢壘過寬會增大i區長度，使GaAs阱區的有效吸收長度所占比例減少 ，一般選取4～8 nm。

為了增加吸收區長度，一般采用多周期的量子阱結構，其周期數目的設計原則是量子阱數目既不能過少，也不 應過多。阱數過少，對入射光的吸收不夠大，不容易提高對比度;阱數過多一方面使損耗增大，另一方面光束在 阱區內就已被全部吸收掉，多余的量子阱將造成不必要的浪費。另外，過多的量子阱還會使i區長度過大，需要加 較高的反向偏壓才能使空間電荷區耗盡，這樣會增大工作電壓，同時也不利于對比度的提高。

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

表1 不同阱寬的GaAs/AlO.3GaO.7As量子阱外加電場為零時，電子和輕重空穴的本征能量和e-hh峰能量和波長(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稱法布里-珀羅(ASFP)腔諧振吸收作用，因為襯底腐蝕掉后，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位置。考慮到不能利用ASFP腔的吸收增強作用來 增大吸收和提高對比度，因此，為了增大i區的吸收適當增加了量子阱的數目(取為90)，同時降低量子阱勢壘的 厚度(取為4 nm)，以降低工作電壓。圖1是所設計的適用于倒裝焊的SEED器件量子阱結構。其中底部的AlAs層是 用來腐蝕襯底時作腐蝕停止層用的，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波長厚。量子阱寬度取8.5 nm，對應的e￣hh峰波長，根據表1取為847 nm左右;器件常通 工作，其工作波長一般應大于e-hh峰7 nm，即在854 nm工作波長，與常用的850 nm工作波長相比，工作波長變長 了，雖然減小阱寬可以減小工作波長，但阱寬小時，量子限制Stark效應減弱，因而設計時還是采用了較長的工作 波長。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，設為90%，假設加電場時的吸 收系數為1 0 000/cm，則低態反射率：RL=20%;設外場為零時的吸收系數為2500/cm，則高態反射率：RH=61% 。相應器件對比度大約為3，高低態反射率差為41%。

圖1 適用于倒裝焊的SEED it件量子阱結構

2.光熒光譜測量

對于用于倒裝焊的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 為所測量的室溫光熒光譜，圖中測量了11個點，從外延片的一端測到另一端，點的間距大約為3～5 mm。圖中同時 標出了測量點的激子峰位置。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，主要是因為生 長時襯底沒有旋轉，造成阱寬的差異。樣片中間位置處e-hh峰大約在845 nm左右，與設計值847 nm基本一致，只要選取材料的適當區域，可制備出滿足設計要求的器件。

圖2 室溫光熒光譜