GaN基谐振腔结构发光器件研究

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GaN基宽禁带半导体材料具有优异的物理和化学特性,其合金材料的禁带宽度在0.7-6.2eV之间连续可调,对应的光波长覆盖红外-可见-紫外光范围且任一组分的合金均为直接带隙,已被广泛应用于制作高效率半导体发光器件。尤其是蓝绿光波段的发光器件,是国际研究的热点,其结构和性能不断得到优化和提高。设计和制作新型结构的发光器件是提高器件性能的一种有效途径。本论文围绕GaN基谐振腔发光器件的研制,在结构设计、材料生长、器件制作、性能测试等多方面进行了细致深入的研究工作,主要内容和成果如下:   1)通过计算和分析谐振腔结构中DBR反射特性和光渗透深度,光场的驻波分布及器件的工作特性包括谐振模式、品质因子、自发发射因子和光限制因子,为GaN基谐振腔发光器件结构的设计和制备提供了理论依据和参考。   2)采用MOCVD方法制作出表面形貌良好的高反射率AlN/GaN DBR,与利用电子束蒸发技术制备的Ta2O5/SiO2介质膜DBR相结合,成功地制备了GaN基复合谐振腔发光器件并进行了特性测量和分析。在光泵浦情况下,腔的品质因子可达372,高于部分已报道的结果,表明制作的腔性能良好。对RCLED的电学性质的分析说明利用腔结构可大大改善LED的器件性能,可明显改善发光效率下降现象。   3)采用MOCVD技术生长了蓝光和高In组分蓝绿光的InGaN/GaN量子阱结构,HRXRD测试结果可以观察到明显的多量子阱卫星峰,表明量子阱结构具有较好的界面和晶体质量。系统地研究了全介质膜DBRs GaN基谐振腔发光器件制备中的关键工艺:通过优化激光能量密度、光斑形状以及键合参数,获得了表面平整度良好的GaN外延层激光剥离条件;以高反射率介质膜DBR作为反射镜,利用键合及激光剥离技术,成功制备了全介质膜DBR GaN基谐振腔发光器件,在室温光泵条件下观察到了GaN基谐振腔发光器件蓝光和蓝绿光激光发射,实现目前报导最长波长GaN基VCSEL的光泵浦激射,激射波长为498.8nm。   4)使用电镀金属基板进行GaN外延层的薄膜转移时,器件划片必须使用切割机或激光进行切割,用这种方法会出现金属基板卷边和喷溅而导致短路等不良问题。为了克服这类问题,通过优化图形化电镀技术和键合技术开发出自分裂薄膜转移技术,提供了一种避免金属基板切割的有效方法。并在此基础上制备了银镜-介质膜DBR GaN基RCLED器件,在520nm处观察到其谐振模式半高宽为5.5nm,对应的腔品质因子约为100。
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