氮化镓晶体的光学非线性及光生载流子动力学研究

发布时间：2017-12-12 06:22

  本文关键词：氮化镓晶体的光学非线性及光生载流子动力学研究

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【摘要】：氮化镓(GaN)为第三代以及宽禁带半导体材料,它拥有高热导率、高电子迁移率、高电子饱和速度、高击穿电压等特性,因此它非常有利于制备高温、高功率、高频电子器件以及蓝、紫外光电子器件。但是,基于GaN的光电子材料与器件都会涉及到宽禁带半导体许多特有的科学和技术难题。对典型的宽禁带半导体GaN材料的光学非线性和光生载流子动力学性质的研究,不仅能够了解材料中束缚电子、载流子、缺陷态等微观自由度间的相互作用过程,还可以确定材料的多光子吸收、克尔折射、载流子吸收、载流子寿命等光物理参数。这不仅有助于我们更好地了解宽禁带半导体材料的非线性光学响应与光物理机制,对基于GaN以及其他宽禁带半导体材料的光电子器件研究也具有非常重大的指导意义。本论文按照导电类型的不同,对非掺杂和不同杂质掺杂下的几种GaN晶体的光学非线性和光生载流子动力学进行实验研究。开展的主要研究工作如下:(1)利用Z扫描技术和基于相位物体(PO)的时间分辨泵浦探测技术,对n型非掺杂GaN晶体532 nm下的光学非线性以及载流子动力学进行了系统研究。利用Z扫描技术,定性地测得了非掺杂GaN在皮秒和纳秒时域下的非线性光学特性;随后,利用PO泵浦探测技术,区分了非掺杂GaN中不同的光学非线性机制。结合双光子吸收诱导的自由载流子非线性理论,确定了非掺杂GaN中束缚电子和自由载流子相关的光物理参数。(2)在可见光(532 nm)和近红外波段(760-1030 nm)下利用Z扫描与PO泵浦探测技术,对n型非极性GaN晶体的光学非线性和载流子动力学进行了研究。首先,通过改变入射激光的偏振方向探究了m面和a面GaN单晶的双光子吸收、载流子吸收、载流子折射的各向异性效应。随后,讨论了m面GaN的三光子吸收和克尔折射系数与入射波长的色散关系,还根据瞬态折射动力学性质计算分析了m面GaN材料应用于全光开关和超快自相关领域的适用性。(3)利用Z扫描技术,首先从实验上探究了Fe掺杂对半绝缘GaN:Fe稀磁半导体光学非线性的影响。其次,结合PO泵浦探测技术测得的载流子动力学,分析了GaN中Fe能级对光生载流子的俘获效应,提出了等效的三能级模型,分析了光生载流子回复机制。根据测量得到的光生载流子有效寿命和Fe浓度的关系,确定了Fe3+的电子俘获截面。(4)利用不同泵浦波长激发的飞秒瞬态吸收光谱方法,在不同载流子分布下对p型Mg掺杂GaN晶片的超快光生载流子动力学性质进行了系统研究。着重分析了均匀和非均匀载流子分布情况下的光生载流子寿命参数,并讨论了光生载流子的回复机制。
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O437

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本文编号：1281501