氮化物半导体三角脊型光腔的光学模式研究

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GaN基材料的In GaN/GaN量子阱,通过灵活控制其中的金属In组分,能使量子阱的发光波段在紫外到可见光的范围内可调,成为目前十分理想的光源材料,被大量应用于各种不同类型发光器件的制备。基于GaN材料制备的脊形激光器,可以从横向和纵向的两个方向对光加以限制,能够显著降低阈值电流。但是传统的脊形激光器,其中大部分采用了矩形作为其截面的形状,很少有使用三角形作为截面形状的相关报导。三角脊相对于传统的矩形脊具有以下的优势:矩形脊的几何对称性比较高,故其中的截面光场分布比较均匀,这导致激发强度不够大;而三角脊有着更低的几何对称性,故其对光的限制也更不均匀,有助于将光场能量集中在需要的位置来获得更大的激发强度。研究者通过对矩形截面的脊形激光器进行光场分布研究,探究了其中的各层材料厚度,脊形结构刻蚀深度,脊形结构宽度等因素对光场分布的影响,从而有针对性的改进其结构参数。因此,对于新型的GaN基三角脊结构而言,探究其截面光场分布与结构尺寸之间的关系就显得十分重要,这能够帮助改进结构参数,提高激发强度。本文通过时域有限差分法,对Sapphire衬底上的GaN基三角脊结构进行了研究。分析了不同顶角角度条件下的GaN基三角脊的截面光场分布,研究了其电场强度最大值与顶角角度大小的关系,分析了其有源区附近的电场强度平均值与顶角角度大小的关系,研究了其截面的波导模式分布,最后分析了附加Si O2、Al膜的GaN基和AlGaN基三角脊的光场分布与电场强度最大值的的增大。本文研究的主要内容和获得的结果如下:(1)研究了不同的顶角角度条件下的GaN基三角脊形结构在450nm波长处的光场分布。结果表明,GaN基三角脊形结构能够有效地将光场能量集中在三角脊结构的顶部,当顶角角度较小时,结构上方仅产生一个光场能量极大值区域,光场集中度较高;随着顶角角度增大,产生的光场能量极大值区域数目开始增多,光场能量的集中程度下降。(2)研究了450nm波长处,GaN基三角脊形结构的电场强度最大值与顶角角度大小的关系。结果表明,当顶角角度小于40度时,其电场强度最大值随顶角角度增大而增大,当顶角角度大于40度时,电场强度最大值基本保持不变,这与光场能量极大值区域的数目的规律是一致的。(3)研究了450nm波长处,GaN基三角脊的有源区附近电场强度平均值与顶角角度大小的关系。结果表明,其有源区附近的电场强度平均值,随顶角角度增大,先基本保持不变,后逐渐振荡增加。当顶角角度小于60度时,有源区附近的光场分布比较均匀。(4)研究了覆盖Si O2、Al膜的GaN基三角脊在450nm波长处的光场分布,并分析其电场强度最大值的增强。结果表明,附加薄膜使得GaN基三角脊形结构内的光场能量更集中,其中的电场强度最大值获得了极大的增强。其电场强度最大值随Al膜厚度增大而逐渐增大并最终趋于不变,随Si O2薄膜厚度增大而先增后减。当覆盖的Si O2薄膜厚度约为20nm,Al膜厚度大于为40nm时,其电场强度最大值达到极大值,此时能够增大约60%。(5)研究了覆盖Si O2、Al膜的AlGaN(0.7Al组分)基三角脊在280nm波长处的光场分布,并分析其电场强度最大值的增强。结果表明,附加的薄膜使AlGaN基三角脊的电场强度最大值明显增大。其电场强度最大值随Al膜厚度增大而逐渐增大并最终趋于不变,随Si O2薄膜厚度增大而先增后减。当覆盖的Si O2薄膜厚度约为10nm,Al膜厚度大于40nm时,其电场强度最大值达到极大值,此时能够增大约50%。
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