基于横向多孔GaN的光电器件研究

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自1990年首次报道多孔硅发光以来,多孔材料已被广泛地应用于能量存储、光水解等领域。而GaN及其三元化合物作为直接带隙半导体材料,在光电领域具有独特的优势。近来,通过侧向电化学腐蚀可以获得横向多孔GaN。与纵向多孔GaN相比,横向多孔GaN表面更为平整,而且利用电化学腐蚀的电导选择性,还可以获得基于横向多孔GaN的分布式布拉格反射镜(DBR)。因此,横向多孔GaN在半导体器件应用方面具有潜在的应用前景。但是目前关于横向多孔GaN材料及相关光电器件的研究还处于起步阶段,很多问题亟需进一步研究和探索。本论文基于横向多孔GaN材料,设计制备了横向多孔GaN基光电器件,并对其光电性能进行了系统的研究,主要取得的研究进展如下:  (1)研制了基于横向多孔GaN光电探测器。测试结果表明GaN的多孔化可以明显提升其紫外光电响应,基于横向多孔GaN基探测器的归一化探测度高达5.3×1014Jones。其背后的主要原因是由于横向多孔GaN与金属电极界面对光生空穴的陷阱作用,尤其是对于比表面积如此大的横向多孔GaN,其大量表面态会大大加强这种陷阱作用。由于它的高探测度和简易的制程,这种新型基于横向多孔GaN的探测器在紫外弱光探测领域极具潜力;  (2)利用电化学腐蚀的电导选择性,对调制掺杂GaN层中的n+-GaN进行选择性腐蚀,获得折射率周期性变化的GaN层/多孔GaN层的堆叠结构,即横向多孔GaN分布式布拉格反射镜(DBR)。该DBR表现出优异的反射特性,在中心波长495nm处的反射率高达99%,高反射带宽约为100nm,与时域有限差分法(FDTD)理论模拟的结果基本一致;  (3)根据谐振腔的基本模型,分析了基于横向多孔GaN DBR谐振腔的干涉增强条件。利用传输矩阵法(TMM)计算了谐振腔内的驻波电场分布,并根据驻波电场的分布对电流扩展层ITO及GaN有源层等关键结构参数进行了优化。根据优化结果设计外延结构,并通过金属化学气相外延技术生长了相应GaN基谐振腔结构的外延片;  (4)研制基于横向多孔GaN DBR的GaN基光学谐振腔,并对其光学特性进行系统的测试分析。结果显示该谐振腔具有明显的模式选择特性。在光功率密度为6893W/cm2,波长为325nm的激光激发下,成功实现了光泵激射;  (5)在基于横向多孔GaN DBR光学谐振腔的基础上,进一步研制相应的谐振腔光电器件,并对其光电特性进行了系统的研究。结果显示,在零偏压或反向偏压下,该谐振腔器件可以作为谐振腔探测器,对462nm的光具有显著的窄带选择性探测特性,半峰宽为5.2nm,对应的光响应度为0.11A/W,量子效率为29.4%。而在正向偏压下,该器件还可以作为谐振腔LED,对应发光峰在482nm,半峰宽为7.6nm,也表现出明显的模式选择特性。该基于横向多孔GaN DBR的GaN基谐振腔光电器件的研制不仅对电泵垂直腔面发射激光器(VCSEL)的研制具有重要意义,而且该谐振腔器件所表现出的窄带选择性探测也为下一步的可见光通信发射探测一体化研究奠定了良好的基础。
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