【摘 要】
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Ⅲ族氮化物半导体材料因其优异的光电特性和可覆盖紫外至近红外的带隙,在照明显示、生物医学传感、光学通讯、能源等领域有着广阔的应用前景和发展潜力。尤其对于氮化镓(GaN)
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Ⅲ族氮化物半导体材料因其优异的光电特性和可覆盖紫外至近红外的带隙,在照明显示、生物医学传感、光学通讯、能源等领域有着广阔的应用前景和发展潜力。尤其对于氮化镓(GaN)材料,其拥有的宽直接带隙和较高的激子束缚能使得氮化镓材料在低阈值和高品质因子的紫外微腔激光器研究方面体现出了显著的优势。此外,氮化镓单晶微纳米碟结构的高折射率和好的光学品质特性可以使其作为良好的光学谐振腔,这可以保证光在其内壁全反射形成增益回路构成回音壁模式(WGM)激光,从而大幅度降低由于光学透射与散射造成的光学损耗,降低激光阈值并且提高品质因子。目前,已经有了许多有关GaN回音壁模式激光的报道,包括材料的生长、复杂结构的设计、工艺加工、光学模式分析等方面,其中如何更有效的提高激光发光特性和降低激光发光阈值仍然是一个研究的重点。本实验研究中,GaN微米碟通过氢化物气相外延的方式生长在以石墨烯作为二维缓冲层的衬底上。由于微米碟的晶体质量和几何形态会直接影响其光学模式和发光特性,也决定着激光器是否能被泵浦激射。因此,对GaN微米碟的晶体质量进行测试研究将是十分必要的。此外,GaN微米碟激光特性的影响因素以及光学谐振模式也需要深入研究。以下为本论文具体内容:1、通过HVPE的外延方式,使用石墨烯作为缓冲层,在蓝宝石和SiC衬底上制备了 GaN微米碟,测试表征结果显示GaN微米碟内具有规则的几何形态与良好的内部晶体质量,适合作为微型谐振腔。此外,蓝宝石获得的GaN微米碟内部应力仅为0.014GPa。这为激光原器件的制备、剥离以及进一步集成提供了可行的方法。2、在光致发光(PL)实验中,证实了微米碟在不同方向具有不同的光学振荡模式,即在沿C轴方向接收到F-P模式光学振荡信号,垂直C轴方向接收到WGM信号。并且在高能量激励下接收到多模式激光信号,其激发阈值为11.5 μW,Q值可达3049。对光学模式的分析结果显示在国际上首次从氮化物微米碟中证实了双三角回音壁模式(D3-WGM)。并且对该模式的特性以及模式转化机理进行了研究,其结果被认为与受激辐射的空间局域性有关。基于这种新颖的激光模式特性,微腔激光器有望被进一步开发并应用于纳米光子学领域。
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