AlGaN结构材料光学各向异性及非线性光学性质调控

摘要

AlGaN基半导体是目前短波长光电器件中最重要的材料，以其为基础研发的深紫外LED和LD在照明、杀菌、环保以及军事上都有着重要的应用价值和广泛的市场前景。由于纤锌矿结构的AlGaN为非中心对称晶体，具有极强的极化，也造成了材料光学各向异性，制约着高质量材料和器件的制备与应用。准确表征AlGaN材料光学各向异性并实现光学各向同性的调控成为突破现有结构材料和器件局限的关键手段。另一方面，由极化效应所引起内建电场，也是导致AlGaN材料存在非线性光学效应的直接因素，如果进一步增强AlGaN基材料的非线性效应，有望促进氮化物半导体在非线性光学领域的广泛应用。本论文采用MOVPE生长技术，利用椭圆偏振光谱表征材料的光学性质，对不同Al组分AlGaN材料和GaN/AlN超晶格的光学各向异性及其调控以及AlGaN基电光效应的增强开展了系统研究。主要取得如下研究成果:
　　 通过变角度椭圆偏振光谱系统地研究了纤锌矿AlGaN半导体材料和GaN/AlN应变超品格的光学各向异性及其调控方式。采用MOVPE技术生长一系列组分不同的AlGaN薄膜，从椭圆偏振谱线中可以看出，AlGaN材料具有明显的光学各向异性。分析过程中，使用Tanguy色散公式描述材料的光学各向异性，在不同入射角度同步拟合透明和吸收区域全波段光谱，由此获得AlGaN材料o光和e光的折射率和消光系数，并推导出相应的双折射和二向色性色散曲线。测量发现，在Al组分增加的同时，能带排布随之改变，光学各向异性也相应地发生变化，特别是当Al组分约为0.5时，呈现出光学各向同性的特征。基于AlGaN体材料的实验结果，我们提出利用超薄GaN/AlN超晶格量子结构以实现带边出光的光学改性方案。通过椭偏表征后发现，应变GaN/AlN超晶格量子结构同样具有光学各向同性的特征，并且其中较大的应变使材料的整体带隙远大与Al0.5Ga0.5N混晶。因此超薄GaN/AlN超晶格量子结构材料不但具有带边的光学各向同性，同时其带隙也可由人工调整，有望成为深紫外高Al组分AlGaN的理想替代。
　　 此外，我们系统研究了AlGaN基半导体材料电光效应的增强作用。首先采用MOVPE生长技术，设计制备了GaN/AlGaN量子阱结构，其XRD谱线呈现清晰轮廓的卫星峰，证实了该结构具有陡峭界面和良好的周期性。在制备的样品上施加一定偏压，并通过椭圆偏振光谱表征其光学性质，由此观测到椭偏光谱随偏压而产生的变化，证实电光效应的存在。分析表明，提高Al组分后非线性的响应得到显著增强，并且通过在量子阱两侧增加非掺杂的光学限制层，可明显增强材料性能。采用Tanguy色散公式拟合出材料光学性质随不同偏压的变化，进而推导样品线性电光系数r13和r33、以及二次电光系数R13和R33。进一步绘制电光系数在不同波长下的色散曲线，从中可以发现，由于受到共振效应的影响，所设计的结构能够提供更强的电光效应，甚至可与目前传统的非线性电光晶体相媲美。因此，本研究从实验上成功获得了采用共振增强的GaN/AlGaN量子阱电光效应材料，为Ⅲ族氮化物光电器件以及光电集成的发展提供了新方向。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 AlGaN材料光学各向异性

1．3 AlGaN材料非线性光学性质

1．3．1 AlGaN电光效应的极化增强

1．3．2 AlGaN非线性共振增强效应

1．4 论文架构

参考文献

第二章 AlGaN基半导体材料的生长和研究方法

2．1 AlGaN基半导体材料的MOVPE生长方法

2．2 外延片加工技术

2．3 AlGaN基半导体材料特性表征

2．3．1 AlGaN材料结构特性表征

2．3．2 AlGaN材料光学特性表征

2．4 小结

参考文献

第三章 AlGaN结构材料光学各向异性及其调控

3．1 AlGaN材料各向异性薄膜的生长与结构表征

3．2 AlGaN薄膜的光学性质

3．2．1 AlGaN薄膜透射光谱

3．2．2 AlN薄膜光学各向异性

3．2．3 薄膜光学各向异性与能带的关系

3．2．4 不同组分AlGaN薄膜的光学性质

3．3 高Al组分AlGaN光学各向异性的调控

3．3．1 应变GaN／AlN超晶格量子结构生长

3．3．2 应变GaN／AlN超晶格光学性质

3．4 小结

参考文献

第四章 AlGaN结构非线性光学特性调控

4．1 AlGaN晶体中的电光效应

4．2 GaN／AlGaN电光效应量子结构设计

4．2．1 GaN／AlGaN电光效应量子结构的生长与结构表征

4．2．2 GaN／AlGaN电光效应调控

4．3 小结

参考文献

第五章 总结与展望

附录 博士期间发表的论文

致谢