InGaN低維材料載流子動(dòng)力學(xué)研究及GaN基綠光垂直腔面發(fā)射激光器制作.pdf

1、GaN基寬禁帶半導(dǎo)體材料是直接帶隙半導(dǎo)體材料，復(fù)合效率高，且具有優(yōu)異的物理、化學(xué)特性，其合金材料的禁帶寬度可以從0.7 eV到6.2 eV連續(xù)可調(diào)，對(duì)應(yīng)的光波長(zhǎng)覆蓋了紅外-可見-紫外光范圍，已被廣泛應(yīng)用于制作高效率半導(dǎo)體光電器件，特別是藍(lán)綠光波段的發(fā)光器件。盡管GaN基發(fā)光器件，如發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)等，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化并持續(xù)快速發(fā)展，但對(duì)于器件的核心組成部分—有源區(qū)的光學(xué)性質(zhì)以及載流子動(dòng)力學(xué)的研究還相對(duì)滯后。為了進(jìn)一

2、步優(yōu)化有源區(qū)結(jié)構(gòu)，提高器件發(fā)光效率，必須要詳細(xì)透徹地分析載流子在有源區(qū)內(nèi)的輸運(yùn)及復(fù)合過程。本論文圍繞InGaN量子阱和InGaN量子點(diǎn)等低維材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、光學(xué)性質(zhì)測(cè)量、載流子輸運(yùn)模型等方面展開了深入細(xì)致的研究工作。同時(shí)，本論文采用InGaN量子點(diǎn)作為有源區(qū)，對(duì)GaN基垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、器件制備以及性能測(cè)試。主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾

3、個(gè)方面:
　　(1)有限差分法計(jì)算InGaN非對(duì)稱耦合量子阱(Asymmetric Coupled QuantumWell，ACQW)中的能級(jí)與波函數(shù)分布:非對(duì)稱耦合量子阱能夠有效改善載流子在阱中的輸運(yùn)，提高載流子復(fù)合效率。通過求解薛定諤方程并結(jié)合邊界收斂條件，同時(shí)考慮氮化物材料中顯著的極化效應(yīng)，得到了ACQW中不同阱寬的量子阱各能級(jí)及對(duì)應(yīng)波函數(shù)的具體分布，計(jì)算結(jié)果與光調(diào)制反射實(shí)驗(yàn)得到的能級(jí)結(jié)構(gòu)極度吻合，并以此作為理論依據(jù)來詳細(xì)分

4、析載流子在不同阱寬的量子阱中的躍遷、隧穿及復(fù)合過程。
　　(2) InGaN非對(duì)稱耦合量子阱的光學(xué)性質(zhì)測(cè)試及載流子動(dòng)力學(xué)分析:由于非對(duì)稱耦合量子阱獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，量子阱中載流子的分布和輸運(yùn)與普通量子阱存在很大的差異。我們通過低溫變功率光致發(fā)光(PL)、光調(diào)制反射(PR)以及時(shí)間分辨PL實(shí)驗(yàn)，并建立載流子速率方程模型，詳細(xì)地分析了不同激發(fā)功率下載流子在各阱中的隧穿及復(fù)合行為，發(fā)現(xiàn)當(dāng)激發(fā)功率增大后阱中存在反常的反向隧穿效應(yīng)使得中間阱的發(fā)光

5、得到顯著增強(qiáng)。
　　(3)InGaN量子點(diǎn)的光學(xué)性質(zhì)測(cè)試及載流子弛豫動(dòng)力學(xué)分析:InGaN量子點(diǎn)由于在外延生長(zhǎng)過程中有效地釋放了應(yīng)力，因此具有更好的晶體質(zhì)量，并且允許更大的In組分，使得InGaN量子點(diǎn)在綠光及更長(zhǎng)的波段具有更高的輻射復(fù)合效率。我們通過低溫變功率PL、變溫PL和時(shí)間分辨PL(TRPL)實(shí)驗(yàn)，并建立載流子強(qiáng)局域模型，詳細(xì)分析了InGaN量子點(diǎn)中的量子限制斯塔克效應(yīng)(QCSE)、載流子弛豫及復(fù)合過程以及強(qiáng)局域效應(yīng)對(duì)量子

6、點(diǎn)發(fā)光特性的影響，發(fā)現(xiàn)量子點(diǎn)深局域態(tài)中載流子輻射復(fù)合效率比淺局域態(tài)要高得多，當(dāng)載流子濃度較大時(shí)，量子點(diǎn)的量子效率得到明顯提高，這對(duì)制作GaN基激光器及其他大功率發(fā)光器件具有十分重要的意義。
　　(4)電注入GaN基綠光VCSEL的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、器件制作及測(cè)試分析:采用InGaN綠光量子點(diǎn)作為有源區(qū)，通過對(duì)外延層及插入層的設(shè)計(jì)使QD有源區(qū)置于光場(chǎng)波腹處以增加QD與光場(chǎng)的耦合效率，同時(shí)使ITO置于光場(chǎng)波節(jié)處以減小其對(duì)光的吸收損耗。通過電鍍

7、、低溫金屬鍵合和激光剝離等工藝，將器件轉(zhuǎn)移到導(dǎo)熱性能優(yōu)異的Cu襯底上，制作了全介質(zhì)膜垂直結(jié)構(gòu)GaN基VCSEL并實(shí)現(xiàn)了室溫連續(xù)激射。激射閾值電流只有0.52 mA，對(duì)應(yīng)閾值電流密度為0.66 kA/cm2。同時(shí)，由于較寬的DBR高反帶，我們?cè)诓煌骷汐@得了多個(gè)波長(zhǎng)的激射行為，包括491.8nm，506.9 nm，541.1 nm及561.6 nm等波長(zhǎng)，在1.2 mA電流下測(cè)得激光偏振度高達(dá)90％以上。其中561.6 nm波長(zhǎng)為國(guó)際上