GaN基微纳米线VCSEL结构设计与光学性质研究

作     者：张君华 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：许并社

授予年度：2023年

学科分类：080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 07[理学] 08[工学] 070205[理学-凝聚态物理] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：氮化镓 垂直腔面发射激光器 布拉格反射镜 应变补偿 组分偏差 厚度偏差 

摘      要：垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL）具有输出光束易与光纤耦合、阈值低、单纵模发射、易阵列化、制造成本低等优点,被广泛应用于高速数据通信、激光显示、光学传感等领域。但绿光波段的氮化镓（Ga N）基VCSEL缺少晶格匹配的分布布拉格反射镜（Distributed Bragg Reflectors,DBR）材料和“Green Gap这两个重大科学难题,阻碍了产业化进程。纳米线结构有利于应力的释放,而晶格失配DBR和“Green Gap问题均为应变问题,故基于纳米线异质结构来设计VCSEL结构,有望解决绿光VCSEL中存在的两个科学难题。本文针对绿光VCSEL设计了Al Ga In N/In Ga N应变补偿结构DBR和Ga N基纳米线VCSEL结构,为Ga N基纳米线VCSEL的研制提供了理论指导,主要研究内容和结果如下:（1）针对氮化物DBR中存在的应变积累问题,设计了AlGaInN/InGaN应变补偿DBR结构,使DBR整体应变为0,避免生长时产生缺陷和裂纹。同时为了提高折射率差,Al的组分定为0.7、0.8、0.9,求得其他组分的含量,根据传输矩阵法计算DBR的反射光谱。通过对DBR结构参数进行对比,优化了其结构和反射性能。首先对比高低折射率层生长顺序,发现对于AlGaInN/InGaN DBR,先生长高折射率层时,反射率高达99.61%,而先生长低折射率层时,反射率仅为97.73%;然后对比奇数层DBR和偶数层DBR,发现两者的反射谱几乎重合,没有显著区别;通过对比DBR对数的影响,发现对数在20～30对时,反射率随着对数的增加明显上升,30～40对时反射率增长缓慢;最后研究了材料组分对反射谱的影响,发现Al组分高的DBR折射率差大,反射性能更优,而相同Al组分Al Ga In N中In含量越低反射率越高。考虑到DBR制备过程中可能出现的厚度和组分偏差,模拟了厚度和组分出现偏差时反射谱的变化,发现高低折射率层厚度每增加或减少1 nm,反射谱红移或蓝移4～5nm;而组分的偏差使高反带带宽和中心波长处反射率发生明显变化。（2）针对GaN基VCSEL制备困难等问题,设计了绿光波段的纳米线VCSEL结构:20对AlGaN/InGaN上DBR、Ga N空间层、AlGaN电子阻挡层、5对InGaN/InGaN多量子阱、Ga N空间层、30对AlGaN/InGaN下DBR,并对它的光电特性作出分析。然后调控p型和n型DBR对数、p型DBR掺杂浓度以及p型和n型空间层厚度和掺杂浓度,逐步优化它的结构和性能:先将p型DBR的对数变为12、14、16、18对,通过比较I-V曲线、I-P曲线、量子效率和电光转换效率,综合比较出来14对p型DBR的性能最优,最高电光转换效率可达15.2%;然后将原始结构中p型DBR的对数固定为14对,改变n型DBR的对数为25、30、35、40对,发现25、30、35对的性能没发生变化,而40对的性能明显变好,最高电光转换效率可达18.35%;优化好n型和p型DBR对数后,对p型DBR的掺杂浓度做出改变,对器件性能影响不大;最后对p型和n型空间层的厚度和掺杂浓度做出改变,发现将p型或n型空间层有效厚度增加1倍波长后,性能明显变差,最高电光转换效率只有13.75%,而改变空间层掺杂浓度则对器件性能没有太大影响。最终是在原始结构上优化了DBR的对数,最高电光转换效率从最初结构的11.55%到优化p型DBR的15.2%,最后到优化n型DBR的18.35%,使器件性能得到提升。