3-5μm波段W型InAs/GaInSb量子阱材料及器件研究

3-5 μm range laser is of great importance for military and civilian areas, including gas detection and laser guidance. With the advantages of antimonide materials’ properties and broken-gap structure, W InAs/GaInSb has a larger advantage in expanding the wavelength of antimonide materials. By devices’ design and epitaxy optimization, the W type laser had been obtained. The luminescence efficiency is the key problem for the improvement of the performance of laser devices. From luminescence mechanism, we present broadening GaInSb hole wave function program , increase the electron and hole wave functions overlap integral and probability of radiative recombination, then the W quantum well luminescence efficiency would be enhanced. To achieve the purpose, the high wave functions overlap integral W quantum well can be grown by the composition graded technology. In addition, the thickness limit of GaxIn1-xSb layer with high In component can be solved, thus hole wave function can also be broadened. At last, by optimizing the preparation technology, the hundred mW 3-5 μm range W quantum well laser can be obtained.

3-5μm波段激光在气体探测和激光制导等军事民用领域具有重要意义。锑化物InAs/GaInSb的W型量子阱结构具备锑化物材料特性和破隙型能带结构的特点, 在锑化物波长拓展方面具有较大优势。通过器件设计、外延技术优化已获得~3μm工作的激光器件。目前W型量子阱发光效率是制约器件性能进一步提升的瓶颈问题。我们从发光机理角度出发, 提出展宽GaInSb空穴波函数的方案, 增大W型量子阱中电子和空穴波函数的重叠积分, 增加辐射复合几率, 实现提高InAs/GaInSb体系W型量子阱发光性能的目的。为完成上述研究方案, 利用组分渐变技术制备具有高波函数重叠积分特性的W型量子阱, 解决高In组分引起的GaxIn1-xSb层厚度受限问题，实现空穴波函数的有效展宽。优化W型激光器制备工艺，得到百毫瓦级3-5µm波段波长可调的锑化物W量子阱激光器器件。

3-5μm波段是重要的“大气窗口”，包含多种气体分子的特征吸收谱线。该波段激光器在大气污染监测、危险气体痕量检测方面具有重要应用。此外3-5µm波段制导可突破1.06µm激光制导导弹全天候使用受到限制的问题，因展，此开展3-5μm波段激光光源研究对推动我国军事国防及国计民生事业的快速发展具有重要意义。.3-5μm波段激光在气体探测和激光制导等军事民用领域具有重要意义。锑化物InAs/GaInSb的W型量子阱结构具备锑化物材料特性和破隙型能带结构的特点，在锑化物波长拓展方面具有较大优势。通过器件设计、外延技术优化已获得3~5μm工作的激光器件。目前W型量子阱发光效率是制约器件性能进一步提升的瓶颈问题。因此，急需开展中红外锑化物W型量子阱激光器的研究。.本项目的主要研究内容.1．W型InAs/GaInSb量子阱结构外延及物性研究.研究生长温度、III/V束流比等外延条件对材料物性的影响，研究各组分薄膜的生长条件；研究不同外延条件的量子阱材料质量及缺陷，建立In组分、W型量子阱结构参数与发光波长的对应关系。.2．W型量子阱激光器结构设计、工艺研究及器件性能表征.研究量子阱结构、周期，波导层和限制层对激光器性能影响，优化全器件结构；W型量子阱激光器制备，优化刻蚀工艺，研究刻蚀条件对器件的影响；研究W型量子阱钝化工艺、腔面膜制备工艺和电极制备工艺。..重要结果.利用有限元分析法分别计算了不同厚度的GaInSb层的势能图和波函数。完成不同波长W型量子阱结构设计；开展了W型量子阱激光器的外延和工艺工作实现若干重点波长的激射，器件功率均大于80mW。.关键数据.(1)实现3.0μm、3.8μm、3.9μm若干波长的激射，器件功率均大于80mW；.(2)发表论文14篇，其中SCI检索11篇，EI检索3篇；申请发明专利11项，授权专利6项；培养博士研究生4人，硕士研究生5人。.科学意义.本项目通过组分渐变的方法在解决W型量子阱应力引起的厚度受限问题，有效的解决了GaInSb空穴波函数展宽难题，实现了中红波段光谱激射的科学意义。