AlGaN基深紫外半导体激光器外延结构的仿真研究
发布时间：2021-11-05 07:12
AlGaN基深紫外半导体激光器有着巨大的应用市场,例如化学分析,医疗诊断设备,生物试剂检测系统,高密度数据存储,水净化和材料处理等方面。AlGaN拥有相对较宽的禁带宽度,通过调节AlGaN中Al组分的含量,可以使激光器辐射出深紫外波段（<280nm）的激光。近几年来,AlGaN深紫外半导体激光器吸引了国内外研究机构和学者强烈的研究兴趣。然而,由于外延生长技术方面的限制难以获得高质量的AlGaN材料;Mg掺杂剂的高活化能所导致有限的P型掺杂效率;大量的电子泄漏和相对较低的空穴注入效率等问题严重阻碍了AlGaN基深紫外半导体激光器优越性能的实现。本论文着眼提升深紫外半导体激光器的性能,展开了优化激光器外延结构的仿真研究。本论文主要研究内容和创新点如下:1.以减少深紫外半导体激光器的电子泄漏,提升载流子辐射复合速率为出发点,提出了双锥型电子阻挡层的优化方案。通过仿真实验分别模拟了激光器采用参考型、锥型和反锥型三种不同的电子阻挡层的差异并首次提出双锥型电子阻挡层的设计。然后设计了激光器采用双锥型和参考型电子阻挡层在能带、载流子浓度、辐射复合速率和泄漏电流等方面的对比实验。基于仿真数据发现...
【文章来源】：郑州大学河南省 211工程院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
深紫外激光器的应用
2半导体激光器原理及主要参数特性10器是没有办法工作的，为了得到激光，必须给激光器一定的激励，使低能级的粒子吸收一定的能量跃迁到高能级，使得处于高能级的粒子数高于处于低能级的粒子数，形成粒子数反转。图2.1粒子数反转原理图2.1.2谐振腔自发辐射是粒子自发的从高能级跃迁到低能级，同时释放一个光子的过程。如图2.1所示，光子的能量为hv，数值上等于两能级之差（E2-E1）。受激辐射是粒子在一个能量等于两能级之差的光子的激励下，从高能级跃迁到低能级并发射一个和和激励光子完全相同的光子的过程。一般来说，自发辐射光源系统处在各种能级都存在的杂乱辐射状态下，所发射的光随机极化，光谱分布较宽，形成不规则的波阵面。很显然，自发辐射光源无法满足激光光源的光谱质量的要求。激光器的发光原理是受激发射而非自发辐射，不能将各个能级混合辐射。在受激辐射过程中，各种能级的粒子都被激励到一个较高的能级上，由于维持的时间总体上服从正态分布，所以大部分粒子都会在一定时间内跃迁到低能级上。因此，受激辐射产生的光的能量几乎一样，才具备激光的单色性。但是，此时受激辐射形成的光没有固定的方向和相位，无法形成激光。实际上，激光器必须使发生的受激辐射在谐振腔内形成多次反馈，从而形成激光振荡，才能获得相干受激辐射。图2.2所示为激光器中的谐振腔的示意图。谐振腔的上下两层分别是p型包层和n型包层。通常来说，有源区材料的折射率是激光器中最高的，包层的作用就是把辐射产生的光限制在有源区[41]。通常在与谐振腔垂直的侧面放置两个镜面。其中在出光面镀上减反射膜，而在反射面镀上高反多层介质膜。为了增加光的吸收和提升激光器的效率，通常在谐振腔另外两个侧面设计为粗糙的腔面。在激光器谐振腔中存在
2半导体激光器原理及主要参数特性11谐振腔的长度一般选择为激光半波长的整数倍。()2NL=（2.2）图2.2半导体激光器谐振腔示意图光在谐振腔内传播相当于不断经过光栅，因此会引起衍射。只有当振幅和相位的空间分布达到稳定状态时，激光器才会从出光面输出激光。在谐振腔内部，凡不沿谐振腔轴线运动的光子都会溢出腔外。顺着谐振腔轴线运动的光子将会在腔内继续前进，并在两个反射面之间不断往返运动产生振荡。光子在运动的过程中会和受激的粒子相遇，从而产生受激辐射。因此，沿轴线运动的光子会越来越多，且他们的传播方向、频率和相位都一致。总的来说，谐振腔的作用就是选择频率一定，方向一致的光放大，然后抑制其他频率和方向的光。通常来说，出光面会被设计为部分透射，然后从出光面透射出去的部分激光就成为可以利用的激光。反射回去的部分将继续参与受激辐射来增殖光子。2.1.3激光的增益和阈值激光器中的损耗主要有两种：内部损耗和镜面损耗。内部损耗主要是由于有源区材料成分不均匀，粒子数密度不均匀或者有缺陷等导致光发生折射，散射等使部分光波偏离原来的传播方向形成的损耗。设R为谐振腔镜面的反射率，当强度为I的光射到镜面上时，其中会有RI部分的光反射回谐振腔内继续放大，其他部分就是反射损耗，包括镜面透射、散射、吸收以及由于光的衍射使光束扩
【参考文献】：
期刊论文
[1]Improvement of radiative recombination rate in deep ultraviolet laser diodes with step-like quantum barrier and aluminum-content graded electron blocking layer[J]. 王一夫,Mussaab I Niass,王芳,刘玉怀. Chinese Physics B. 2020(01)
[2]Reduction of Electron Leakage in a Deep Ultraviolet Nitride Laser Diode with a Double-Tapered Electron Blocking Layer[J]. 王一夫,Mussaab I.Niass,王芳,刘玉怀. Chinese Physics Letters. 2019(05)
[3]Suppression of electron and hole overflow in GaN-based near-ultraviolet laser diodes[J]. 邢瑶,赵德刚,江德生,李翔,刘宗顺,朱建军,陈平,杨静,刘炜,梁锋,刘双韬,张立群,王文杰,李沫,张源涛,杜国同. Chinese Physics B. 2018(02)
[4]Output light power of InGaN-based violet laser diodes improved by using a u-InGaN/GaN/AlGaN multiple upper waveguide[J]. 梁锋,赵德刚,江德生,刘宗顺,朱建军,陈平,杨静,刘炜,刘双韬,邢瑶,张立群,王文杰,李沫,张源涛,杜国同. Chinese Physics B. 2017(12)
[5]Different influences of u-InGaN upper waveguide on the performance of GaN-based blue and green laser diodes[J]. 梁锋,赵德刚,江德生,刘宗顺,朱建军,陈平,杨静,刘炜,李翔,刘双韬,邢瑶,张立群,李沫,张健. Chinese Physics B. 2017(11)
[6]Effect of Droop Phenomenon in InGaN/GaN Blue Laser Diodes on Threshold Current[J]. 范晓望,刘建平,张峰,池田昌夫,李德尧,张书明,张立群,田爱琴,温鹏雁,马国宏,杨辉. Chinese Physics Letters. 2017(09)
[7]Fabrication of room temperature continuous-wave operation GaN-based ultraviolet laser diodes[J]. Degang Zhao,Jing Yang,Zongshun Liu,Ping Chen,Jianjun Zhu,Desheng Jiang,Yongsheng Shi,Hai Wang,Lihong Duan,Liqun Zhang,Hui Yang. Journal of Semiconductors. 2017(05)
[8]Performance Improvement of GaN-Based Violet Laser Diodes[J]. 赵德刚,江德生,乐伶聪,杨静,陈平,刘宗顺,朱建军,张立群. Chinese Physics Letters. 2017(01)
[9]GaN-based green laser diodes[J]. 江灵荣,刘建平,田爱琴,程洋,李增成,张立群,张书明,李德尧,M.Ikeda,杨辉. Journal of Semiconductors. 2016(11)
[10]全球氮化镓激光器材料及器件研究现状[J]. 刘建平,杨辉. 新材料产业. 2015(10)
博士论文
[1]InGaN/GaN多量子阱的结构及其光学特性的研究[D]. 王绘凝.山东大学 2014
硕士论文
[1]265nm深紫外激光器结构设计研究[D]. 陈雪.郑州大学 2019
[2]280nm AlGaN基半导体激光器有源区结构的仿真研究[D]. 臧俊微.郑州大学 2018
[3]300nm GaN基半导体激光器结构研究[D]. 杨炎.郑州大学 2017
[4]AlGaN基深紫外LED器件结构的模拟研究[D]. 张敏.华中科技大学 2015
[5]GaN材料的极化特性研究[D]. 杜坤.西安电子科技大学 2011
[6]氮化镓LED中极化效应的理论模拟[D]. 王强.山东大学 2011
[7]应变Si/应变SiGe空穴迁移率研究[D]. 安九华.西安电子科技大学 2011
[8]980nm光纤光栅半导体激光器的特性研究[D]. 孙婷婷.长春理工大学 2009
本文编号：3477327
【文章来源】：郑州大学河南省 211工程院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
深紫外激光器的应用
2半导体激光器原理及主要参数特性10器是没有办法工作的，为了得到激光，必须给激光器一定的激励，使低能级的粒子吸收一定的能量跃迁到高能级，使得处于高能级的粒子数高于处于低能级的粒子数，形成粒子数反转。图2.1粒子数反转原理图2.1.2谐振腔自发辐射是粒子自发的从高能级跃迁到低能级，同时释放一个光子的过程。如图2.1所示，光子的能量为hv，数值上等于两能级之差（E2-E1）。受激辐射是粒子在一个能量等于两能级之差的光子的激励下，从高能级跃迁到低能级并发射一个和和激励光子完全相同的光子的过程。一般来说，自发辐射光源系统处在各种能级都存在的杂乱辐射状态下，所发射的光随机极化，光谱分布较宽，形成不规则的波阵面。很显然，自发辐射光源无法满足激光光源的光谱质量的要求。激光器的发光原理是受激发射而非自发辐射，不能将各个能级混合辐射。在受激辐射过程中，各种能级的粒子都被激励到一个较高的能级上，由于维持的时间总体上服从正态分布，所以大部分粒子都会在一定时间内跃迁到低能级上。因此，受激辐射产生的光的能量几乎一样，才具备激光的单色性。但是，此时受激辐射形成的光没有固定的方向和相位，无法形成激光。实际上，激光器必须使发生的受激辐射在谐振腔内形成多次反馈，从而形成激光振荡，才能获得相干受激辐射。图2.2所示为激光器中的谐振腔的示意图。谐振腔的上下两层分别是p型包层和n型包层。通常来说，有源区材料的折射率是激光器中最高的，包层的作用就是把辐射产生的光限制在有源区[41]。通常在与谐振腔垂直的侧面放置两个镜面。其中在出光面镀上减反射膜，而在反射面镀上高反多层介质膜。为了增加光的吸收和提升激光器的效率，通常在谐振腔另外两个侧面设计为粗糙的腔面。在激光器谐振腔中存在
2半导体激光器原理及主要参数特性11谐振腔的长度一般选择为激光半波长的整数倍。()2NL=（2.2）图2.2半导体激光器谐振腔示意图光在谐振腔内传播相当于不断经过光栅，因此会引起衍射。只有当振幅和相位的空间分布达到稳定状态时，激光器才会从出光面输出激光。在谐振腔内部，凡不沿谐振腔轴线运动的光子都会溢出腔外。顺着谐振腔轴线运动的光子将会在腔内继续前进，并在两个反射面之间不断往返运动产生振荡。光子在运动的过程中会和受激的粒子相遇，从而产生受激辐射。因此，沿轴线运动的光子会越来越多，且他们的传播方向、频率和相位都一致。总的来说，谐振腔的作用就是选择频率一定，方向一致的光放大，然后抑制其他频率和方向的光。通常来说，出光面会被设计为部分透射，然后从出光面透射出去的部分激光就成为可以利用的激光。反射回去的部分将继续参与受激辐射来增殖光子。2.1.3激光的增益和阈值激光器中的损耗主要有两种：内部损耗和镜面损耗。内部损耗主要是由于有源区材料成分不均匀，粒子数密度不均匀或者有缺陷等导致光发生折射，散射等使部分光波偏离原来的传播方向形成的损耗。设R为谐振腔镜面的反射率，当强度为I的光射到镜面上时，其中会有RI部分的光反射回谐振腔内继续放大，其他部分就是反射损耗，包括镜面透射、散射、吸收以及由于光的衍射使光束扩
【参考文献】：
期刊论文
[1]Improvement of radiative recombination rate in deep ultraviolet laser diodes with step-like quantum barrier and aluminum-content graded electron blocking layer[J]. 王一夫,Mussaab I Niass,王芳,刘玉怀. Chinese Physics B. 2020(01)
[2]Reduction of Electron Leakage in a Deep Ultraviolet Nitride Laser Diode with a Double-Tapered Electron Blocking Layer[J]. 王一夫,Mussaab I.Niass,王芳,刘玉怀. Chinese Physics Letters. 2019(05)
[3]Suppression of electron and hole overflow in GaN-based near-ultraviolet laser diodes[J]. 邢瑶,赵德刚,江德生,李翔,刘宗顺,朱建军,陈平,杨静,刘炜,梁锋,刘双韬,张立群,王文杰,李沫,张源涛,杜国同. Chinese Physics B. 2018(02)
[4]Output light power of InGaN-based violet laser diodes improved by using a u-InGaN/GaN/AlGaN multiple upper waveguide[J]. 梁锋,赵德刚,江德生,刘宗顺,朱建军,陈平,杨静,刘炜,刘双韬,邢瑶,张立群,王文杰,李沫,张源涛,杜国同. Chinese Physics B. 2017(12)
[5]Different influences of u-InGaN upper waveguide on the performance of GaN-based blue and green laser diodes[J]. 梁锋,赵德刚,江德生,刘宗顺,朱建军,陈平,杨静,刘炜,李翔,刘双韬,邢瑶,张立群,李沫,张健. Chinese Physics B. 2017(11)
[6]Effect of Droop Phenomenon in InGaN/GaN Blue Laser Diodes on Threshold Current[J]. 范晓望,刘建平,张峰,池田昌夫,李德尧,张书明,张立群,田爱琴,温鹏雁,马国宏,杨辉. Chinese Physics Letters. 2017(09)
[7]Fabrication of room temperature continuous-wave operation GaN-based ultraviolet laser diodes[J]. Degang Zhao,Jing Yang,Zongshun Liu,Ping Chen,Jianjun Zhu,Desheng Jiang,Yongsheng Shi,Hai Wang,Lihong Duan,Liqun Zhang,Hui Yang. Journal of Semiconductors. 2017(05)
[8]Performance Improvement of GaN-Based Violet Laser Diodes[J]. 赵德刚,江德生,乐伶聪,杨静,陈平,刘宗顺,朱建军,张立群. Chinese Physics Letters. 2017(01)
[9]GaN-based green laser diodes[J]. 江灵荣,刘建平,田爱琴,程洋,李增成,张立群,张书明,李德尧,M.Ikeda,杨辉. Journal of Semiconductors. 2016(11)
[10]全球氮化镓激光器材料及器件研究现状[J]. 刘建平,杨辉. 新材料产业. 2015(10)
博士论文
[1]InGaN/GaN多量子阱的结构及其光学特性的研究[D]. 王绘凝.山东大学 2014
硕士论文
[1]265nm深紫外激光器结构设计研究[D]. 陈雪.郑州大学 2019
[2]280nm AlGaN基半导体激光器有源区结构的仿真研究[D]. 臧俊微.郑州大学 2018
[3]300nm GaN基半导体激光器结构研究[D]. 杨炎.郑州大学 2017
[4]AlGaN基深紫外LED器件结构的模拟研究[D]. 张敏.华中科技大学 2015
[5]GaN材料的极化特性研究[D]. 杜坤.西安电子科技大学 2011
[6]氮化镓LED中极化效应的理论模拟[D]. 王强.山东大学 2011
[7]应变Si/应变SiGe空穴迁移率研究[D]. 安九华.西安电子科技大学 2011
[8]980nm光纤光栅半导体激光器的特性研究[D]. 孙婷婷.长春理工大学 2009
本文编号：3477327
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