氮化物半导体非对称耦合微纳结构光学性质研究

制作氮化物InGaN/GaN非对称耦合量子阱(ACQW)并对其物理光学性能进行研究，探讨其在氮化物光电子器件中的应用。与一般的单量子阱或多量子阱相比，ACQW结构可以实现不同量子阱中载流子的隧穿注入，有利于实现较大的载流子密度和较高的发光效率。因而，可以起到降低器件电压（电流）和增大器件输出功率的效果。而且，这种量子阱结构可以采用实用化的结晶生长技术简单实现，所以，实用化前景很好，有可能带来巨大的经济效益。本研究将通过测量其发光光谱，改变样品温度，调整激发光波长和功率，瞬态光谱和微腔中测量等手段，对ACQW发光的量子效率，发光的物理机理，发光的瞬态动力学特性，与微腔的相互作用以及量子阱之间的耦合状态等进行系统研究，尤其是重点研究不同量子阱之间的势垒厚度的影响。在此基础上，确定最佳ACQW结构，并进一步探讨其在氮化物垂直腔面发射激光器中的应用。

本项目采用MOCVD技术制备了不同势垒层厚度的单量子阱和多量子阱系列样品，改变阱层厚度制备了非对称耦合量子阱（AC-QW）结构，随后，采用光致发光（PL）和电致发光测试手段，研究了样品的光学性质。通过改变样品温度和激发光功率，采用瞬态和微腔中测量等手段，对量子阱发光的垒层厚度依赖关系、发光物理机制、量子阱之间的耦合状态、瞬态动力学特性、与微腔的相互作用等进行了系统研究，确定了最佳的量子阱结构，探讨了其在氮化物光电器件中的应用。研究中取得的主要成果如下：. 1. 不同GaN上势垒层厚度的InGaN/GaN单量子阱光学性质研究。. 低温PL测量发现，随着GaN垒层厚度增加，InGaN量子阱发光峰位红移，激子与纵光学声子间的耦合强度增加，表明在阱层中存在着大的内建电场。. 2. 不同GaN垒层厚度的InGaN/GaN多量子阱光学性质研究。. 随垒层厚度减小到4nm，由于载流子在不同阱层间的隧穿耦合，室温下样品发光增强；进一步的变温PL测试结果发现，每个样品的峰值能量随温度增加呈现S型变化（红移-蓝移-红移），这与载流子在局域能级上的分布有关。. 3. InGaN/GaN AC-QW光学性质研究。. 采用有限差分法理论计算了AC-QW的能级结构，并与实验结果进行了比较，二者基本吻合。通过变功率光谱测试，结合速率方程理论，分析了载流子在不同阱间的隧穿耦合。通过不同功率下时间分辨谱的测试，分析了量子阱中载流子的衰减动力学过程。. 4. AC-QW的空穴输运特性研究。. 与普通耦合量子阱结构和非耦合量子阱结构相比，AC-QW结构的电致发光测试表现出发光增强、外量子效率提高、开启电压降低、光谱宽度减小等特性，表明AC-QW结构作为GaN基光电器件的有源区可以提高有源区中载流子的输运特性，改善增益不均的现象。. 5. 基于AC-QW微谐振腔的制作和测量。. 利用二次转移衬底技术制作了AC-QW微谐振腔，在461.2nm处获得了品质因子为1530的光谱发射，表明AC-QW在GaN基光电器件应用中的潜在优势。