【摘 要】
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作为GaN基发光器件最常用的有源区结构,InGaN/GaN多量子阱结构一直以来都倍受科研工作者们的关注。为了提高InGaN/GaN多量子阱发光器件的性能,科研工作者们进行了大量的研究工作,至今比较集中在材料生长方面,包括:通过改变In组分减少In团簇现象的发生、通过改变阱宽和垒宽改善晶格质量、通过改变量子阱的对数增大有源区增益等。本文设计了不同有源区结构的InGaN/GaN多量子阱,进行了外延片和
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作为GaN基发光器件最常用的有源区结构,InGaN/GaN多量子阱结构一直以来都倍受科研工作者们的关注。为了提高InGaN/GaN多量子阱发光器件的性能,科研工作者们进行了大量的研究工作,至今比较集中在材料生长方面,包括:通过改变In组分减少In团簇现象的发生、通过改变阱宽和垒宽改善晶格质量、通过改变量子阱的对数增大有源区增益等。本文设计了不同有源区结构的InGaN/GaN多量子阱,进行了外延片和VCSEL器件制作,借助光学测试技术和分析方法,研究了不同有源区结构对于外延片的发光性能和VCSEL器件的激射特性的影响规律。主要工作内容包括:1.通过模拟四种VCSEL器件结构内的光场分布,计算和比较了不同结构的有源区的增益增强因子,分析了 InGaN/GaN多量子阱的光电耦合作用。样品结构如下:样品1和样品2,在腔模的两个波腹处各放置两个耦合量子阱;而样品3和样品4,在腔模的一个波腹处放置五个InGaN耦合量子阱。样品1和样品4的量子阱和势垒宽度相同,分别为2 nm和6 nm;而样品2和样品3的量子阱和势垒宽度相同,分别为3 nm和5 nm。2.研究了四种结构的InGaN/GaN多量子阱外延片在不同温度时的光致发光特性,借助量子能级计算对光谱中多个发光峰的来源进行了分析;对四个外延片样品的发光光谱中峰值能量随温度发生的变化进行拟合分析,比较发现样品1,2的局域态分布展宽比样品3,4更小;对四个样品的发光峰峰值半高宽随温度的变化进行了分析,与之前报道过的拟合参数相比,观察到样品1的温度变化结果与GaN外延材料更为接近,而样品2,3,4的温度变化结果与InGaN/GaN量子阱结构相近;计算分析了四个样品的内量子效率,样品1,2,3,4的内量子效率逐步递减。这些结果表明样品1中In组分分布更均匀,界面间更平整,局域态分布较少,发光效率相对更高。3.利用室温时间分辨光致发光测试分析四种结构的InGaN/GaN多量子阱外延片的时间衰减特性,对测试结果进行的拟合分析表明,四个外延片样品的辐射复合寿命由大到小依次为:1>2>4>3。使用复合寿命计算内量子效率,并结合变温光致发光测试结果进行比较分析,得出样品1的多量子阱结构具有较高的晶体质量,更有利于提高电子与空穴发生辐射复合的几率。4.将四个外延片制作成光泵VCSEL器件后进行变功率光致发光测试,除了外延片样品4以外,另外三个外延片制作的VCSEL样实现了激射,其中使用外延片样品1制作的VCSEL器件的激射阈值最低,为0.466mJ·cm-2,与外延片样品的测试结果比较后认为样品1的有源区结构更适于制作低阈值VCSEL器件。并讨论分析了外延片样品4没有出现室温激射的原因。
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