GaN基激光器的内部参数研究

摘要

本论文致力于研究GaN基激光器的光学损耗和载流子注入效率，并取得了如下成果:
　　1、研究了GaN基激光器外延片和器件的光学损耗。首先，搭建了一套测试GaN基激光器外延片光学损耗的测试系统，通过理论分析发现该系统的测试误差小于1cm-1。利用该测试系统实验研究了GaN基激光器的光学损耗来源，证实了p型层中激活的Mg受主的吸收是激光器光学损耗的主要来源，但未激活的Mg受主的光吸收系数不大。仿真计算及实验结果均表明，降低p型层与光场的交叠可以有效降低GaN基激光器的光学损耗。其次，使用Hakki-Paoli法研究了GaN基激光器器件的光学损耗，发现外延片与器件的光学损耗测量值有一定的差异，并分析了造成这种差异的原因。
　　2、研究了c面GaN基绿光激光器的空穴输运特性。针对绿光激光器空穴输运特性存在的争议，进行了仿真计算与实验研究，研究结果表明，空穴能够从绿光双量子阱中溢出，从而降低绿光激光器的载流子注入效率。在绿光双量子阱的下方掺杂硅可以有效抑制空穴从绿光双量子阱中的溢出，其物理机制为硅掺杂增加了空穴输运的势垒。
　　3、研究了绿光激光器InGaN波导层中的载流子复合及抑制方法。通过模拟计算发现，在最后一个GaN量子垒层和InGaN上波导层之间存在一个势垒，这个势垒会阻碍载流子的输运，导致载流子在InGaN上波导层中积聚并复合，降低绿光激光器的载流子注入效率。当InGaN上波导层的In组分高于4％时，载流子在上波导层内的复合不可忽略不计。适当降低InGaN上波导层的In组分可以有效抑制上波导层的载流子复合，减小绿光激光器的阈值电流。实验结果同模拟计算结果吻合的很好。
　　4、研究了GaN基蓝光激光器的波导结构设计。首先，在InGaN上（下）波导层与AlGaN上（下）限制层之间插入额外的GaN上（下）波导层可以有效降低激光器的光学损耗。其次，随着插入波导层厚度的增加、上波导层背景载流子浓度的上升，上波导层的载流子复合以及越过电子阻挡层的电子电流会不断增大，从而降低蓝光激光器的载流子注入效率。最后，采用In组分渐变的InGaN作为上波导层可以有效抑制上波导层的载流子复合以及越过电子阻挡层的电子电流，提升蓝光激光器的载流子注入效率。
　　5、研究了总气流量、生长温度对MOCVD生长AlGaN的影响。在反应室压力、反应物浓度保持不变的前提下，随着总气流量的增加，反应室内气流速率加快，MOCVD生长的速率增加。在AlGaN生长速率不变的前提下，随着总气流量的增加、生长温度的降低，气相中由NH3分解产生的H原子浓度减少，AlGaN层中并入的碳浓度增加，最终导致AlGaN带边发光峰的强度降低，黄光发光峰的强度增加。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 GaN基激光器简介

1．2 GaN基激光器的发展

1．2．1 GaN基紫光激光器的发展

1．2．2 GaN基蓝光激光器的发展

1．2．3 GaN基绿光激光器的发展

1．3 GaN基激光器的光学损耗研究

1．3．1 GaN基激光器光学损耗的测量

1．3．2 GaN基激光器光学损耗的来源

1．3．3 降低GaN基激光器光学损耗的方法

1．4 GaN基激光器的载流子注入效率研究

1．4．1 载流子注入效率的测量

1．4．2 提升载流子注入效率的方法

1．5 本论文的研究内容、研究意义及工作安排

1．5．1 本论文的研究内容

1．5．2 本论文的研究意义

1．5．3 本论文的工作安排

参考文献

第二章 实验测试及模拟计算方法

2．1 实验测试方法

2．1．1 MOCVD简介

2．1．2 高分辨X射线衍射(HRXRD)简介

2．1．3 原子力显微镜(AFM)简介

2．1．4 光致发光(PL)简介

2．1．5 二次离子质谱(SIMS)

2．2 激光器光学模拟简介

2．2．1 光学模拟方法

2．2．2 GaN基材料的折射率

2．2．3 光学损耗的计算

2．3 激光器电学模拟简介

2．3．1 电学模拟方程

2．3．2 电学仿真参数

参考文献

第三章 GaN基激光器的光学损耗研究

3．1 GaN基激光器外延片的光学损耗研究

3．1．1 GaN基激光器外延片光学损耗测试系统的搭建

3．1．2 GaN基激光器外延片光学损耗测试系统的误差分析

3．1．3 典型的GaN基激光器外延片的光学损耗测试结果

3．1．5 降低GaN基激光器外延片光学损耗的方法

3．2 GaN基激光器器件的光学损耗研究

3．2．1 激光器放大的自发辐射光谱简介

3．2．2 Hakki-Paoli法测试GaN基激光器器件光学损耗的原理

3．2．3 GaN基激光器放大的自发辐射光谱的测量及优化

3．2．4 GaN基激光器器件的光学损耗

3．2．5 脊型散射引起的光学损耗

3．3 本章小结

参考文献

第四章 绿光激光器的载流子注入效率研究

4．1 绿光激光器的空穴输运特性研究

4．1．1 绿光激光器的空穴溢出现象

4．1．2 抑制空穴溢出的新结构

4．1．3 空穴溢出的机制研究

4．2 绿光激光器波导层的载流子复合研究

4．2．1 绿光激光器波导层的载流子复合模拟研究

4．2．2 绿光激光器波导层的载流子复合实验研究

4．2．3 波导层的载流子复合对绿光激光器性能的影响

4．3 本章小结

参考文献

第五章 蓝光激光器的波导设计研究

5．1 插入GaN波导层厚度对蓝光激光器光学损耗的影响

5．2 插入GaN波导层厚度对蓝光激光器载流子注入效率的影响

5．3 上波导层背景载流子浓度对蓝光激光器载流子注入效率的影响

5．4 提升蓝光激光器载流子注入效率的新结构

5．5 插入波导层厚度对蓝光激光器性能影响的实验研究

5．5 本章小结

参考文献

第六章 AlGaN的MoCVD生长研究

6．1 边界层理论简介

6．2 总气流量、生长温度对AlGaN单层PL光学性质的影响

6．3 碳浓度对AlGaN单层PL光学性质的影响

6．4 本章小结

参考文献

第七章 全文总结与展望

7．1 本论文的研究成果

7．2 不足之处与展望

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果