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关键词：
GaN基激光器,多量子阱(MQWs),AlInGaN,垒材料
发表时间：
2011-11-30 15:50:56
摘 要 在(0001) 蓝宝石衬底上分别用金属有机化学气相沉积技术外延生长了InGaN/ GaN , InGaN/ In2GaN , InGaN/ Al InGaN 多量子阱激光器结构, 并分别制作了脊形波导GaN 基激光器。同步辐射X 射线衍射, 电注入受激发射光谱测试及光功率2电流(L2I) 测试证明, 相对于GaN 垒材料, InGaN 垒材料, Al InGaN四元合金垒材料更能改善多量子阱的晶体质量, 提高量子阱的量子效率及降低激光器阈值电流。相关的机制为: 组分调节合适的四元合金垒层中Al 的掺入使得量子阱势垒高度增加, 阱区收集载流子的能力增强;In 的掺入能更多地补偿应力, 减少了由于缺陷和位错所产生的非辐射复合中心密度; In 的掺入还减小了量子阱中应力引致的压电场, 电子空穴波函数空间交叠得以加强, 使得辐射复合增加。
以氮化镓( GaN) 为代表的Ⅲ2族氮化物材料在近十年来得到了广泛研究, 发展及应用。继第一代半导体锗( Ge) 、硅(Si) 和第二代半导体: 砷化镓( GaAs) 、磷化铟( InP) 之后发展起来的Ⅲ2族氮化物、氧化锌(ZnO) 和碳化硅(SiC) 等材料,由于其禁带宽度大, 并且具有很广的可调带隙范围而受到广泛关注。由Ⅲ2族氮化物GaN , InN 和AlN 可以形成一个连续的三元合金体系, 其直接带隙宽度覆盖了从InN 的0165eV 到GaN 的3143 eV 直到AlN 的6104 eV , 也即从红外到紫外这一广泛的波长范围。氮化物的研究可以将半导体发光器件的波长扩展到整个可见光范围, 在蓝绿光和紫外波段具有独特的优势[1-3 ] 。GaN 基的蓝、紫光激光器(LD) 因其波长比较短, 可以应用到高密度的光信息存储上。此外GaN 基LD 在彩色激光复印、打印技术, 显示, 照明等领域也有巨大的潜力。
Nichia 公司Nakamura 等[4 , 5 ] 首次实现了InGaN 半导体激光器的连续激射。之后国际上掀起了蓝、紫光激光器的研制热潮。北京大学宽禁带半导体研究中心和中科院半导体所也在2004 年实现了400 nm 左右GaN 基激光器的受激发射。GaN 基LD 的性能还急待进一步提高。通过控制获得均匀宽度、组分, 高结构质量和光学质量的多量子阱(MQW) 有源层是LD 外延生长中的一个核心问题[6-8 ] 。由于阱与垒之间存在较大的晶格失配, 导致生长过程中不可避免地出现失配位错。研究表明, 位错在InGaN 和GaN 外延层中通常充当非辐射复合中心。阱与垒之间存在较大的晶格失配使量子阱中产生较大的内建自发极化电场和压电极化电场, 是影响蓝光L ED 内量子效率的重要原因[9 ] 。因此, 优化量子阱具有重要意义。
改善量子阱中的晶格失配可以改善量子阱中的极化电场, 进而改善GaN 基激光器的性能。近年来, Ⅲ族氮化物( GaN , AlN , InN) 的四元合金Al InGaN 引起了人们的极大关注[10-12 ] 。Al InGaN 像其他Ⅲ族氮化物一样属于直接跃迁型的宽带系材料, 其发光效率高, 禁带宽度覆盖了从可见光到紫外波段更重要的是它可以有效地调节与GaN 的晶格匹配并且很有希望应用于紫外发光器件[11 , 12 ] 。
通常的蓝光量子阱L ED 采用InGaN 为阱层材料, GaN为垒层材料[13 , 14 ] 。本文保持非有源区结构参数不变, 设计了GaN 垒层, InGaN 三元合金垒层和Al InGaN 四元合金垒层的量子阱, 并分别做了性能测试。分别对不同量子阱结构的激光器样品进行了(0002) 对称面的同步辐射X 射线衍射
(XRD) 联动扫描, 并对制作好的GaN 基LD 管芯进行了电注入受激发射谱和功率2电流(L2I) 等方面的测量分析。
Nichia 公司Nakamura 等[4 , 5 ] 首次实现了InGaN 半导体激光器的连续激射。之后国际上掀起了蓝、紫光激光器的研制热潮。北京大学宽禁带半导体研究中心和中科院半导体所也在2004 年实现了400 nm 左右GaN 基激光器的受激发射。GaN 基LD 的性能还急待进一步提高。通过控制获得均匀宽度、组分, 高结构质量和光学质量的多量子阱(MQW) 有源层是LD 外延生长中的一个核心问题[6-8 ] 。由于阱与垒之间存在较大的晶格失配, 导致生长过程中不可避免地出现失配位错。研究表明, 位错在InGaN 和GaN 外延层中通常充当非辐射复合中心。阱与垒之间存在较大的晶格失配使量子阱中产生较大的内建自发极化电场和压电极化电场, 是影响蓝光L ED 内量子效率的重要原因[9 ] 。因此, 优化量子阱具有重要意义。
改善量子阱中的晶格失配可以改善量子阱中的极化电场, 进而改善GaN 基激光器的性能。近年来, Ⅲ族氮化物( GaN , AlN , InN) 的四元合金Al InGaN 引起了人们的极大关注[10-12 ] 。Al InGaN 像其他Ⅲ族氮化物一样属于直接跃迁型的宽带系材料, 其发光效率高, 禁带宽度覆盖了从可见光到紫外波段更重要的是它可以有效地调节与GaN 的晶格匹配并且很有希望应用于紫外发光器件[11 , 12 ] 。
通常的蓝光量子阱L ED 采用InGaN 为阱层材料, GaN为垒层材料[13 , 14 ] 。本文保持非有源区结构参数不变, 设计了GaN 垒层, InGaN 三元合金垒层和Al InGaN 四元合金垒层的量子阱, 并分别做了性能测试。分别对不同量子阱结构的激光器样品进行了(0002) 对称面的同步辐射X 射线衍射
(XRD) 联动扫描, 并对制作好的GaN 基LD 管芯进行了电注入受激发射谱和功率2电流(L2I) 等方面的测量分析。
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