基于MOCVD高性能1.55微米InAs/InP自组织量子点材料生长及激光器应用研究

面对我国国民经济发展的战略需求和国外科学技术发展的最新前沿，以发展新一代高速光通信系统用低成本、低功耗、高性能长波长半导体激光光源为总目标，开展新型高性能1.55微米InAs/InP自组织量子点材料MOCVD生长及激光器应用相关基础研究。通过对1.55微米InAs/InP自组织量子点材料生长过程与机理、基本物理特性以及基于它们的激光器性能的研究，结合相关理论研究与分析，探索新的材料生长机制与技术、新的物理现象以及新的器件原理，解决一些基本物理问题和关键技术，为实现高性能的1.55微米量子点激光器提供必要的物理基础和关键技术，提升我国的自主创新能力和在国际上的竞争能力，为我国的科学技术和光通信事业的发展作贡献。

由于较小的晶格失配，InAs/InP量子点辐射波长能覆盖1.4-2.0微米这一超宽范围而在光纤通信，气体检测，生物医疗等很多领域具有广泛的应用前景，是目前半导体激光器领域的研究热点。本项目以实现高性能量子点激光器为目标，开展了基于MOCVD InAs/InP量子点激光器材料外延生长以及器件应用研究，并已取得了如下研究结果：.1、通过对生长参数的系统优化及生长界面As/P互换的控制，在InP（001）面上，生长出了高质量的量子点材料，量子点面密度达到4.4×1010 cm-2以上。.2、通过采用改变生长停顿Ⅴ族保护，成功实现InAs/InP量子点发光射波长在1.3-1.7微米范围可控调节。.3、采用两温结合生长盖层技术成功改善了量子点尺寸的不均匀性。此外，外延片整片均匀性得到明显提高，这对提高器件的工艺制作成品率尤为重要。.4、采用两温结合盖层技术生长叠层量子点结构，有效克服了应力穿透对叠层量子点结构的影响。单层至七层，量子点光致荧光峰值强度随着层数近线性增加，其半高全宽几乎保持不变，确立了高性能叠层量子点结构的生长条件与技术。.5、激光器制作方面，通过对工艺条件摸索确立了InAs/InP量子点激光器的制备技术。实现了1.55微米InAs/InP量子点激光器室温连续激射，单面输出功率75mW以上，内量子效率高达50.2%，无限腔长激光器阈值电流密度低至平均每层202A/cm2。.6、针对目前1.55微米波段半导体激光器特征温度较低（小于120 K）这一问题，提出采用提高限制势垒以及提高量子点停顿间隙AsH3保护流量来促进量子点充分熟化，实现了高特征温度InAs/InGaAsP/InP量子点激光器的制备，20-60oC温度范围，激光器特征温度高达352K，大幅高于目前已报道的世界最好水平113K。.7、开展了宽带可调谐量子点外腔激光器研究，结合腔面镀反射膜其外腔调谐带宽达140.4nm(1436.6-1577 nm)，最高输出功率达6 mW, 综合性能达到国际上同类器件最好研究水平。.8、研究制作了1.55微米波段InAs/InP量子点单区锁模激光器，开展了啁啾结构量子点锁模激光器的研究，由于增益带宽的增加，锁模激光器脉宽低至322 fs，重复频率45.2GHz, 且最高峰值功率高达6.8 W，是目前为止1.55微米波段传统半导体锁模激光器的最高峰值功率。