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多有源区共振腔发光二极管的结构设计与材料外延

作　者: 马骏
导　师: 李建军
学　校: 北京工业大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 共振腔发光二极管多有源区结构设计外延生长数值模拟
分类号: TN312.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

作为光纤入户工程关键技术环节的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)塑料光纤(POF)需要在100m范围内的低成本高稳定光传输系统,由于在PMMA最小吸收的波长470nm附近的低成本光源的制备比较困难,在其第二小衰减波长650nm附近的低成本光源成了最佳选择。共振腔发光二极管(RCLED)以更窄的光谱线宽,良好的发射方向性,高效的耦合率,高提取效率和高带宽,以及无阈值,稳定,产量高和良好的热特性和低复杂度的制备工艺成为PMMA塑料光纤通信系统的最佳理想光源。但是与普通LED和VCSEL相似,RCLED也遇到不容忽视的温度问题。随着RCLED越来越广泛的应用于生产生活的各个方面,市场对RCLED性能的要求越来越高,同时如何从各个方面全面的提高RCLED的性能也成为生产消费各方共同关注的一个问题。顺应这些需求,本论文主要从以下几方面展开研究工作:首先,简单介绍了光纤接入工程的情况,以及共振腔发光二极管作为塑料光纤通信系统的光源,其优势与发展前景。介绍了RCLED的工作原理和基本结构和组成部分。重点阐述了谐振腔对自发辐射的影响,通过数值模拟计算解释了共振腔的存在对发射光谱的影响。并对RCLED中一些关键的结构设计参数做了简单介绍。详细阐述了温度对RCLED各方面性能的影响,以及RCLED的高频特性。其次,介绍了多有源区共振腔发光二极管的概念,以及隧道结的原理。重点分析了在多有源区发光二极管外延生长之前的结构设计过程中,作为重要依据的计算机数值模拟。通过介绍传输矩阵法和源项法,详细阐述了数值模拟多有源区共振腔发光二极管内部光场分布的理论模型,并进行了计算机数值模拟。随后,对多有源区共振腔发光二极管远场发射图形的数值模拟的理论模型进行了详细的介绍,并对单有源区共振腔发光二极管样品和多有源区共振腔发光二极管样品的数值模拟结果进行了细致的分析。最后,为了在获得最大的提取效率和适度的工艺制备成本之间寻找平衡点,从理论和实验两个方面详细阐述了上DBR反射率和提取效率增强系数之间的关系。最后,阐述了金属有机物化学气相淀积(MOCVD)的概念,基本原理,并介绍了本实验室的MOCVD设备。其次,详细阐述了共振腔发光二极管的外延生长,重点介绍如何通过实际生长之前的数值模拟来辅助生长条件的设计,以及外延生长后,通过PL谱,白光反射谱和X射线衍射等方法对样品的分析,对生长条件进行调整。为了比较不同上电极形状对器件性能的影响,设计了4种用于不同应用领域的上电极版图。最终制备的共振腔发光二极管在30mA下,光功率达到0.63mW,半高宽达到13.4nm。本论文得到北京市教委科技面上项目(KM200810005002)及人才强教计划资助项目的资助。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-19
  1.1 光纤接入工程简介  10
  1.2 FTTH 的发展历程与最新进展  10-13
  1.3 用于POF 通信系统的理想光源—RCLED  13-14
  1.4 共振腔发光二极管技术现状  14-15
    1.4.1 980nm 共振腔发光二极管  14-15
    1.4.2 850-880nm 共振腔发光二极管  15
    1.4.3 1300nm 共振腔发光二极管  15
  1.5 本论文选题的意义  15-16
  1.6 本论文的主要工作和成果  16-19
第2章共振腔发光二极管（RCLED）  19-35
  2.1 共振腔发光二极管概述  19-25
    2.1.1 腔对偶极子发射图形的修正  19-24
    2.1.2 Purcell 效应  24-25
  2.2 RCLED 结构设计参数  25-30
  2.3 RCLED 温度特性  30-34
    2.3.1 发射光谱随温度的变化  30
    2.3.2 远场分布随温度的变化  30-31
    2.3.3 输出功率，带宽随温度的变化  31-33
    2.3.4 RCLED 的高频特性  33-34
  2.4 本章小结  34-35
第3章多有源区共振腔发光二极管纵向结构模拟  35-47
  3.1 多有源区共振腔发光二极管概述  35-36
  3.2 多有源区共振腔发光二极管内部光场的数值模拟  36-39
    3.2.1 内部光场分布的理论模型  36-38
    3.2.2 内部光场分布数值模拟结果与分析  38-39
  3.3 多有源区共振腔发光二极管远场发射图形的数值模拟  39-43
    3.3.1 多有源区共振腔发光二极管远场发射图形的理论模型  39-41
    3.3.2 外部发射光场分布数值模拟结果与分析  41-43
  3.4 多有源区共振腔发光二极管发光效率的优化  43-46
    3.4.1 多有源区共振腔发光二极管发光效率理论模型的模拟计算-  43-45
    3.4.2 多有源区共振腔发光二极管发光效率的模拟计算  45-46
  3.5 本章小结  46-47
第4章多有源区共振腔发光二极管的工艺设计  47-51
  4.1 用于光纤耦合的RCLED 上电极版图  47-48
  4.2 大功率RCLED 上电极版图  48-49
  4.3 本章小结  49-51
第5章共振腔发光二极管的制备与测试  51-69
  5.1 金属有机物化学气相淀积（MOCVD）概述  51-60
    5.1.1 MOCVD 生长机理  52-53
    5.1.2 传输化学特性与气相反应  53-57
    5.1.3 MOCVD 反应源  57-58
    5.1.4 MOCVD 设备  58-60
    5.1.5 本实验室5561 系统概述  60
  5.2 共振腔发光二极管的材料外延  60-65
    5.2.1 DBR 材料外延  61-62
    5.2.2 量子阱材料外延  62-64
    5.2.3 谐振腔材料的外延  64-65
  5.3 共振腔发光二极管实验结果分析  65-67
  5.4 本章小结  67-69
结论  69-71
参考文献  71-74
攻读硕士学位期间发表的学术论文  74-75
致谢  75

多有源区共振腔发光二极管的结构设计与材料外延

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