论文部分内容阅读
GaN基微腔发光器件主要包括垂直腔面发射激光器(VCSELs)和谐振腔发光二极管(RCLEDs)。它们除了具有一般的半导体发光器件拥有的体积小、发光效率高、能耗低、方向性强等特点外，还具有圆形对称光斑，高纯度光谱等优点，此外，其方向性更强，发光效率更高，因而在固态照明，光存储，光通讯和显示等领域有着更为广阔的应用前景。品质因子（Q值）是衡量微腔发光器件性能的一个重要参数，Q值代表微谐振腔存储能量大小的能力，反应其总损耗的大小，Q值越大，意味着损耗越小。实现高Q值微腔发光器件是实现VCSELs和RCLEDs器件的重要基础。本论文针对GaN基微腔发光器件制作的难点问题展开研究，以获得高Q值的氮化物微腔发光器件为目标，主要研究内容包括以下几个方面: 1)GaN基微腔发光器件的电学特性研究:首先在p型GaN的欧姆接触中，我们选取了铟锡氧化物(ITO)作为电流扩展层，通过对ITO生长条件及外延材料结构等的优化，实现了透过率高达98.4％的电流扩展层以及良好的p型欧姆接触。其次，针对经过感应耦合等离子体(ICP)刻蚀后的n-GaN材料的表面损伤对n型欧姆接触的影响问题，提出了有效的表面处理工艺方案，实现了良好的n型欧姆接触。工艺优化后制作出的GaN基微腔发光器件在电流密度为100A/cm2下的电压仅为2.99V。 2)GaN基微腔发光器件的制作工艺研究:我们提出更为可行的二次转移衬底技术方案制作全介质膜分布布拉格反射镜（DBR）的GaN基微腔发光器件，避免了使用由存在较大的晶格失配和热失配的氮化物DBR从而提高了器件有源区的质量。微腔发光器件采用了两个高反射率（≧99％）的介质膜DBR和240nm厚的透明的ITO电流扩展层，器件的Q值达到991。 3)提高GaN微腔发光器件Q值的关键工艺研究:通过对微腔发光器件内的各种损耗的分析，提出切实可行的降低器件的内部损耗的工艺方案以提高器件的Q值。首先，通过对ITO电流扩展层进行ICP刻蚀及抛光处理，获得一个厚度仅为30nm，表面均方根(RMS)粗糙度为1nm左右的ITO层，从而大大降低了ITO的吸收和散射损耗，并在ITO和上DBR之间通过插入一高折射率层使得ITO处于光场的波节位置，进一步降低了ITO的损耗。对ITO电流扩展层处理后制作出的GaN基微腔发光器件的Q值高达1720。其次，为了进一步提高Q值，在上述工艺基础上，我们再采用化学机械抛光(CMP)技术对激光剥离后的GaN表面进行抛光处理，使GaN表面的RMS粗糙度从6nm降低到0.6nm，因而降低了GaN界面的散射损耗，同时，在抛光的过程中还去除了在蓝宝石上最先生长的缺陷密度较高的GaN缓冲层，最终，制作出的GaN基微腔发光器件的Q值提高到2170。 4)高Q值GaN基微腔发光器件的有源区优化研究:首先，通过测试和分析普通量子阱和耦合量子阱的EL谱，发现与普通量子阱中载流子大量分布于靠近p-GaN的阱中不同，耦合量子阱中载流子在各个阱中分布更加均匀。其次，采用耦合量子阱作为微腔发光器件的有源层，并通过设计外延层的厚度使得量子阱处于光场的波腹位置而提高量子阱与光场的耦合效率的同时也可使ITO置于光场的波节位置，由于耦合量子阱中更均匀的载流子分布使得各个阱中的吸收都能更均匀地减小，因而微腔发光器件的Q值高达3550，并且随着电流密度的增加，该器件的线宽增加速率比普通量子阱微腔发光器件的更缓慢。这些结果表明，通过采用耦合量子阱，微腔发光器件的性能得到了进一步的提高。因此，在此高Q值的微腔发光器件基础上，设计合适的上DBR反射率和腔长，我们将实现高性能的GaN基RCLEDs;而对于实现VCSELs，可能还需要继续优化量子阱的结构及生长条件等以获取更高的量子阱增益来平衡器件内尚存的损耗。