【摘 要】
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Ⅲ族氮化物由于禁带宽度连续可调的直接带隙性质,使得其广泛应用在发光器件领域。然而极化带来的量子限制斯塔克效应和材料本身的高折射率使得平面结构的氮化物LED器件发光效率不高,柱形结构能够改变光出射角度并缓解应力带来的极化影响,从而提高内、外量子效率,因此柱形表面结构在提升LED发光效率上广受关注。GaN微腔激光器由于体积小、品质因子高、窄线宽、低损耗等优势,在光电集成、生物传感等领域有广阔的应用前景
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Ⅲ族氮化物由于禁带宽度连续可调的直接带隙性质,使得其广泛应用在发光器件领域。然而极化带来的量子限制斯塔克效应和材料本身的高折射率使得平面结构的氮化物LED器件发光效率不高,柱形结构能够改变光出射角度并缓解应力带来的极化影响,从而提高内、外量子效率,因此柱形表面结构在提升LED发光效率上广受关注。GaN微腔激光器由于体积小、品质因子高、窄线宽、低损耗等优势,在光电集成、生物传感等领域有广阔的应用前景。而且由于其对光子具有良好的限制能力,使得微腔中的光子密度很高,提高了光子与物质之间相互作用的可能性,因此在先进光电子学的前沿理论研究中发挥着重要的作用。当光子被限制在微腔形结构中时,光子会沿着微腔侧壁传播并不断发生全内反射,形成回音壁模式由此产生光子振荡。目前已经成功实现的微腔激光器有微环、微盘等,这些微腔结构的制备工艺往往相对复杂,而微米柱制备流程简单,不仅同样有可能形成光子振荡,且柱形结构本身便具有提高LED内外量子效率的作用。本文围绕GaN微米柱的光学模式,通过理论计算和实验测试对Ga N微米柱的光学性质进行了研究,主要研究内容和结果如下:(1)基于蓝宝石基GaN-LED成功制备了不同直径的微米柱并对相关的工艺参数进行了优化。将刻蚀气体Cl2替换成Ar并合理调控刻蚀气体流量比后,成功制备出垂直于衬底的侧壁。并基于碱性溶液对Ga N不同晶面的腐蚀速率的不同,通过KOH溶液对刻蚀后的侧壁进行修饰,将粗糙的侧壁变得光滑,最终制得形状规则、侧壁光滑的Ga N-LED微米柱。(2)对制备出微米柱进行光学性质的测量,得到了同一微米柱在变功率光源激发下的光学性质。激发强度随光功率密度的非线性变化关系说明了光子在微米柱中产生了共振激射。在光功率密度超过阈值时,直径2μm的PL谱上出现了三个明显的激射峰,激射峰位置分别是420.6nm、426.8nm、433.2nm且激发强度依次增大,各自的功率密度阈值分别为4.023 k W/cm~2、3.816 k W/cm~2、3.429 k W/cm~2。通过时域有限差分法对微米柱的共振模式进行了分析,确定了微米柱中的共振模式为横向回音壁共振模式。(3)对KOH溶液修饰前后的微米柱光学性质进行了比较。结果表明KOH溶液修饰后的微米柱光谱强度大大提高,且在柱形微腔中发生了光学共振。最后,对不同直径的微米柱进行了光学性质比较,在一定范围内,当微米柱直径越小时,其最强共振峰的波长越大且阈值越低。
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