InGaN/GaN量子阱悬空微盘发光二极管

设计并制备了三种不同结构的电泵浦InGaN/GaN量子阱微盘发光器件,对其光增益和光损耗进行了分析和优化。以p型层的结构为分类标准,器件Ⅰ为圆柱形;器件Ⅱ为器件Ⅰ的悬空结构;器件Ⅲ是悬空的圆环形结构。实验和仿真结果表明,三种器件结构中,器件Ⅱ的结果最好。电极布局为内p外n型的圆柱形器件表面电流分布能够保证发光区和微腔高增益区重合,悬空结构能够降低微盘在垂直方向上的光损耗,有利于更好的光学增益。考虑到共振模式,器件Ⅱ在注入电流大于0.7 mA时,器件Ⅱ实现了峰值波长为408.2 nm、半峰宽为2.62 nm的振荡模式输出。这种电泵浦InGaN/GaN量子阱悬浮微盘二极管器件的设计思路对电泵浦微盘或微环激光器的研制具有重要参考意义。

Ge/SiGe非对称耦合量子阱强度调制特性仿真

硅基光子学已被广泛认为是能实现片上光电子集成的有效平台,然而迄今为止,对硅基光源、探测器以及调制器等硅基有源器件的研究仍然具有一定的挑战性。为此,提出并仿真分析了一种可以用于实现硅基强度调制的Ge/SiGe非对称耦合量子阱结构。首先,利用8带k·p理论模型对耦合量子阱的能带结构和电子波函数进行了仿真计算;然后,详细分析了外加电场强度在0 kV/cm至60 kV/cm范围内,非对称耦合量子阱对TE和TM偏振模式的传输光的光吸收谱随外加电场强度的变化。仿真结果表明,对于TE偏振模式的传输光,在无外加电场强度条件下,非对称耦合量子阱的第一个吸收带边约在1449 nm处;而在30 kV/cm外加电场下,该量子阱的吸收带边相比于无外加电场情况向长波方向移动约22 nm,比相同外加电压下的普通量子阱显著。本工作所提出的Ge/SiGe非对称耦合量子阱结构是一种有望实现更低工作电压、更高速和更低损耗硅基强度调制器的结构。

基于半导体量子阱中四波混频效应的高效光学非互易

基于半导体量子阱纳米结构中的四波混频效应,提出了一种无磁光学非互易的理论方案.利用实验可得的合适参数,实现了具有高传输率的非互易传输和非互易相移.此外,将这种半导体量子阱纳米结构嵌入马赫-曾德尔干涉仪,选择适当的参数,可以实现隔离比为92.39 dB、插入损耗为0.25 dB的双端口光隔离器,以及保真度为0.9993、光子存活率为0.9518、低插入损耗的四端口光环行器.半导体介质具有更容易集成和参数可调的优势,此方案可以为基于半导体固态介质的非互易性和非互易光子器件的实现提供理论指导.

Zn杂质诱导GaInP/AlGaInP红光半导体激光器量子阱混杂的研究

在GaAs基GaInP/AlGaInP单量子阱结构外延片上分别使用磁控溅射设备生长ZnO薄膜和等离子增强化学气相沉积设备生长SiO2薄膜,以ZnO介质层作为Zn杂质诱导源,采用固态扩Zn的方式对激光器进行选择性区域诱导以制备非吸收窗口来提高器件的腔面光学灾变损伤阈值,从而提高半导体激光器的输出功率和长期可靠性。在580~680℃、20~60 min退火条件下对Zn杂质诱导量子阱混杂展开研究,实验发现,ZnO/SiO2或ZnO/Si3N4复合介质层的采用比单一Zn介质层的杂质诱导蓝移量大,且在680℃、30 min的条件下获得了最大55 nm的蓝移量。分析结果表明,介质层所施加的压应变会将外延片表面GaAs层中Ga原子析出,促使Zn原子进入外延层中以诱导量子阱混杂。通过测量光致发光光谱发现发光强度并没有明显下降,可为后期器件制作提供借鉴。

非均匀GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器材料表征和器件性能研究

本文利用分子束外延(MBE)技术成功生长了GaAs/AlGaAs非均匀量子阱红外探测器材料,并对相关微结构作了细致表征。分析比较了非均匀量子阱结构和常规量子阱红外探测器性能差异,并对比研究了不同势阱宽度下非均匀量子阱红外探测器的性能变化。通过高分辨透射电子显微镜(HRTEM)结合能谱仪(EDS)对非均匀量子阱红外探测器材料微结构进行了分析,并利用二次离子质谱仪(SIMS)对非均匀势阱掺杂进行了表征。结果表明,该量子阱外延材料晶体质量很好,量子阱结构和掺杂浓度也与设计值符合较好。对于非均匀量子阱红外探测器,通过改变每个阱的掺杂浓度和势垒宽度,可以改变量子阱电场分布,而与传统的均匀量子阱红外探测器相比,其暗电流显著下降(约一个数量级)。在不同阱宽下,非均匀量子阱的跃迁模式发生改变,束缚态到准束缚态跃迁模式下(B-QB)的器件具有较高的黑体响应率以及较低的暗电流。

超晶格插入层对InGaN/GaN多量子阱的应变调制作用

在InGaN/GaN异质结构量子阱内存在巨大的压电极化场,这严重地削弱了量子阱的发光效率.为了减弱量子阱内的压电极化场,通常引入应变调制插入层提升器件的发光性能.为了研究InGaN/GaN超晶格的应变调制效果和机理,实验设计制备了具有n型InGaN/GaN超晶格插入层的外延结构及其对照样品.变温光致发光谱测试表明引入n型InGaN/GaN超晶格插入层的样品发光波长更短且内量子效率提升,相应的电致发光谱积分强度也显著增加且半宽减小,说明引入超晶格应变插入层可以在一定程度上抑制影响发光效率的量子限制Stark效应.理论计算结果表明:在生长有源区量子阱前引入超晶格应变层,可以削弱有源区量子阱内极化内建电场,减弱有源区量子阱能带倾斜,增加电子空穴波函数交叠,提高发射几率,缩短辐射复合寿命,有利于辐射复合与非辐射复合的竞争,实现更高的复合效率,从而提高发光强度.本文从实验和理论两方面验证了超晶格应变调制插入层可以有效改善器件性能,为器件的结构设计优化指明方向.

硅基InGaN/GaN多量子阱微盘器件的发光、探测和数据传输

光源和探测器的集成可有效促进轻量化和小型化光电系统的发展,InGaN/GaN多量子阱器件中发光与探测共存现象为收发一体芯片的设计提供了可能。本文采用标准半导体工艺制备了硅片上集成的圆盘形InGaN/GaN多量子阱阵列器件,并对其发光、探测以及基本通信特性进行了研究。微盘型器件中的共振模式有助于提升其探测特性,同时各向同性的辐射特性有助于器件作为光源时与探测器在空间上的耦合。作为光源,该器件的开启电压为2.5 V,中心波长455 nm,-3 dB带宽为5.4 MHz。作为探测器,该器件对紫外到蓝光波段的光有响应,探测性能随波长增加而减弱,截止波长450 nm。在365 nm光源激发下,该器件具有最高开关比7.2×10^(4),下降沿时间为0.41 ms。同时,基于单个微盘器件,本文构建并演示了半双工通信系统,在不同频段实现数据传输。这项研究对于电驱动光源制备以及收发一体的光通信具有重要意义。

多量子阱钙钛矿半导体合成及光伏性能表征的综合实验设计

随着全球能源需求的持续增长和环境保护意识的加强,开发和利用可再生能源成为了当务之急。在这一背景下,钙钛矿光伏电池以其高效率和低成本的特性受到了广泛研究。本文介绍了一个综合物理实验,即多量子阱钙钛矿的合成及其光伏性能的表征。实验旨在通过合成多量子阱钙钛矿材料并评估其在光伏应用中的性能,以培养学生的科研兴趣和实践技能。实验内容包括:多量子阱钙钛矿材料的合成,采用层间插层策略引入不同尺寸的有机阳离子,以调控材料的结构与相分布;通过X射线衍射和吸收-发光光谱技术对材料的晶体结构、结晶性、光学和电学性质进行表征;制备钙钛矿光伏电池并通过电流-电压曲线评估其光电转换效率。本实验有望使学生深入理解材料物理、器件物理和光伏技术的基本概念,激发他们在新能源领域的研究兴趣,为他们未来的科研活动或职业生涯提供实践经验和技术基础。实验的设计兼顾了教学的全面性和科研的前沿性,有望在物理及相关学科的教学改革中起到积极作用。

一款多色叠层量子阱红外探测器的读出电路设计

一款完整的红外焦平面探测器主要包含探测器件、读出电路、封装结构和制冷组件。目前根据不同应用场景,探测波段范围不断变宽、探测灵敏度需求提高、成像速度要求加快,对探测器设计提出了更严格、更复杂的指标要求。其中,读出电路将探测光信号转换为电信号传输至系统,是探测器组件的关键核心模块。本文设计了一款对应多色叠层量子阱型器件的红外焦平面探测器读出电路,能够实现同时间、同空间对四波段信号进行探测,并且同时读出,四波段信号的探测积分与读出之间没有互相干扰。探测器规格640×512,像元间距50μm(四波段),各波段信号可实现分时积分、分别可调,采用边积分边读出工作模式,读出帧频可达到四波段探测时≥50 Hz,电路噪声≤0.5 mV,动态范围≥70 dB,电功耗≤600 mW,是一款超大规模低噪声高帧频的高性能读出电路。

二维半导体异质结MoS_(2)/MoSe_(2)中一维量子阱形成机制的电子显微学研究

本文使用两步化学气相沉积法(chemical vapor deposition,CVD)成功合成了单层二维半导体MoS_(2)/MoSe_(2)面内异质结,通过扫描透射电子显微学(scanning transmission electron microscopy,STEM)对异质结中不同类型的量子阱进行了原子尺度结构和局域应力分析,探索了二维半导体材料中,不同结构特征处诱导形成一维量子阱结构的机理。主要包括:(1)晶格失配的二维半导体异质结界面处周期性位错阵列诱导形成的量子阱超晶格;(2)二维半导体晶格内非60°晶界所包含的周期性位错诱导形成周期可控的量子阱超晶格;(3)由连续4|8元环结构组成的60°晶界诱导形成的超长单一量子阱结构。

不同晶面应变纤锌矿GaN/AlN量子阱的价带结构理论研究

为深刻理解应变异质结量子阱结构的物理性质,帮助改进基于宽禁带氮化物半导体器件的设计,本文基于六带应力相关的k·p哈密顿量与自洽薛定谔-泊松方程建立了在场约束效应下极性(0001)、半极性(10■2)及非极性(10■0)晶面的纤锌矿GaN/AlN量子阱价带子带模型,并给出了不同晶面GaN/AlN量子阱在双轴和单轴应力作用下的子带能量色散关系。根据应力对量子阱价带结构的影响,对应力与空穴有效质量之间的微观物理关系进行了综合研究。结果表明,价带结构对晶体取向的改变有很大的依赖性。双轴应力对有效质量的改善效果不大,然而单轴压缩应力通过降低垂直沟道方向的能量使低有效质量区域获得更多的空穴,从而有效降低空穴有效质量,且在不同晶面的结构中都减少了约90%。

各向异性抛物势对非对称半指数量子阱中杂质极化子基态能量的影响

当非对称半指数量子阱中在阱的生长方向存在非对称半指数受限势,而在垂直于阱的生长方向存在各向异性抛物受限势时,我们理论上研究了类氢杂质対非对称半指数量子阱中弱耦合杂质极化子基态能量性质的影响.应用线性组合算符方法和两次幺正变换导出了非对称半指数量子阱中弱耦合杂质极化子的基态能量.我们挑选非对称半指数GaAs半导体量子阱晶体为例,计算了非对称半指数量子阱中弱耦合杂质极化子的基态能量与库仑杂质势的强度,非对称半指数受限势的两个正参数和x方向和y方向的各向异性抛物势的受限强度变换关系.通过数值我们发现非对称半指数量子阱中弱耦合杂质极化子的基态能量随库仑杂质势的强度的增加而增大,杂质极化子的基态能量是参量U和x方向和y方向的各向异性抛物势的受限强度的的增函数,而它是参量σ的减函数.表现了奇特的量子尺寸限制效应.

外场对量子阱系统能级和波函数的影响

为分析低维半导体纳米结构的非线性光学特性,揭示外场对量子阱系统能级与波函数的影响,以GaAs/AlGaAs半抛物量子阱为研究对象,利用MATLAB软件对该量子阱系统的能级与波函数进行仿真。分析了单独外加电场、只外加磁场以及同时外加电场与磁场等条件下的半抛物量子阱系统的能级与波函数。结果表明,同时外加电场和磁场对量子阱系统能级与波函数的影响明显,只施加电场比只施加磁场影响更显著。

多变量Si杂质诱导InGaAs/AlGaAs量子阱混杂研究

腔面光学灾变损伤是导致高功率量子阱半导体激光器阈值输出功率受限制的关键因素。通过量子阱混杂技术调整半导体激光器腔面局部区域处有源区材料的带隙宽度,形成对输出光透明的非吸收窗口,可提高激光器输出功率。本文基于InGaAs/AlGaAs高功率量子阱半导体激光器初级外延片,以外延Si单晶层作为扩散源,结合快速热退火方法开展了杂质诱导量子阱混杂研究。探索了介质层生长温度、介质层厚度、热处理温度、热处理时间等条件对混杂效果的影响。结果表明,50 nm的650℃低温外延Si介质层并结合875℃/90 s快速热退火处理可在保证光致发光谱的同时获得约57 nm的波长蓝移量。能谱测试发现,Si杂质扩散到初级外延片上的波导层是导致量子阱混杂效果显著的关键。

用于单片集成的硅基外延Ⅲ-Ⅴ族量子阱和量子点激光器研究

硅基光电子技术以光电子与微电子的深度融合为特征,是后摩尔时代的核心技术。硅基光电子芯片可以利用成熟的微电子平台实现量产,具有功耗低、集成密度大、传输速率快、可靠性高等优点,广泛应用于数据中心、通信系统等领域。除硅基激光器外,硅基光探测器、硅基光调制器等硅基光电子器件技术已经基本成熟,但作为最有希望实现低成本、大尺寸单片集成的硅基外延激光器仍然面临着诸多挑战。在此背景下,本文从直接外延无偏角Ⅲ-Ⅴ/Si(001)衬底、无偏角硅基激光器材料、外延技术,以及单片集成等方面探讨了近些年国内外硅基光源的研究进展,重点介绍了本研究组在硅基外延Ⅲ-Ⅴ族量子阱和量子点激光器方面的研究进展,包括无反相畴GaAs/Si(001)衬底的制备、硅基InGaAs/AlGaAs量子阱激光器材料外延、硅基InAs/GaAs量子点激光器材料外延和新型并联方式共面电极硅基激光器芯片制作等。

小像元量子阱FPA抗光学串音的FDTD仿真

采用光栅耦合结构的焦平面阵列(Focal Plane Array,FPA)在工艺上难以制备,反射耦合结构较为容易。为探究反射耦合结构是否可以在小尺寸范围内替代光栅耦合结构,文章使用FDTD电磁场仿真软件MEEP构建了光栅耦合结构和反射结构GaAs/AlGaAs量子阱红外焦平面阵列三像元模。通过对器件内部光学串音进行仿真,验证了在逼近衍射极限时,采用全内反射结构的FPA在5~7μm和8.5~10μm之间的抗串音效果强于光栅耦合结构,而在6.5~8.5μm和10~12μm之间,光栅耦合结构的抗串音效果更好,在12~15μm范围内,两种结构的抗串音能力相当。针对15μm中心距全内反射结构量子阱FPA,探究了反射角度、刻蚀深度和量子阱周期对其串音的影响。

高应变InGaAs/GaAs多量子阱中的局域态问题

针对高应变InGaAs/GaAs多量子阱中存在的局域态问题,利用金属有机化合物气相外延(MOCVD)技术,设计并生长了五周期的In_(0.3)Ga_(0.7)As/GaAs高应变多量子阱材料。通过原子力显微镜(Atomic force microscope,AFM)和变温光致发光(Photoluminescence,PL)测试,发现量子阱内部存在缺陷及组分波动的材料无序性表现,验证了多量子阱内部局域态的存在及起源。同时发现在不同测试位置,局域态在低温下对光谱的影响也不同,分别表现为双峰分布和峰位“S”型变化。这进一步说明材料内部无序化程度不同,导致局域态的深度也不同。依据温度-带隙关系的拟合,提出了包含局域态的多量子阱材料的电势分布,并揭示了局域态载流子和自由载流子的复合机制。并且借助变功率PL测试,研究了在不同激发功率密度下不同深度的局域态的发光特性。

深紫外AlGaN基多量子阱结构中载流子辐射复合的局域特征

利用磁控溅射和金属有机化学气相沉积方法在c面蓝宝石衬底上生长了深紫外Al_(0.38)Ga_(0.62)N/Al_(0.55)Ga_(0.45)N多量子阱结构,并对其荧光(PL)谱进行了测量。其PL谱的激发密度依赖性测量结果表明,该量子阱的辐射过程包含了局域载流子的散射、极化场的屏蔽和局域态的填充效应;其PL谱的温度依赖性测量结果则表明,该量子阱的辐射过程包含了局域载流子的弛豫、局域载流子的热激发和自由载流子的常规热化效应。这个现象(即多种辐射复合过程的存在)在低温和弱激发测试条件下尤为显著,并且表现出该量子阱结构具有显著的局域深度非均一性和载流子的局域效果,是浅局域载流子的散射效应和深局域态的载流子填充效应共同作用所致。在较低的温度范围内,随着温度升高,该量子阱的辐射过程是由浅局域载流子的弛豫效应和深局域载流子的热激发效应共同作用的结果。这些行为被归因于阱宽起伏所诱发的局域深度的非均一性和载流子的局域效果。

2D/3D钙钛矿异质结中多重量子阱的形成使声子瓶颈效应失效

声子瓶颈效应对有机-无机杂化钙钛矿光电性能的重要性已经广为认知.虽然在2D/3D异质结构中经常产生随机分布的多重量子阱结构,但人们对2D/3D钙钛矿异质结构中多重量子阱的形成对声子瓶颈效应的影响知之甚少.本文使用2D有机-无机杂化钙钛矿(NH_(3)(CH_(2))_(8)NH_(3)PbI_(4))去钝化3D有机-无机杂化钙钛矿,构建了2D/3D钙钛矿异质结构,并通过光致发光光谱和飞秒光泵浦太赫兹探测光谱研究了其激子和载流子动力学.观察到了多重量子阱结构的形成,并建立了激子形成时间、热载流子冷却速率和有效电荷载流子迁移率之间的结构-动力学-性能的构效关系.多重量子阱结构的形成可使声子瓶颈效应失效,并且调控2D/3D钙钛矿异质结的光电性能.该工作为构建2D/3D钙钛矿异质结构策略中认识能带排列和声子瓶颈效应的重要性提供有价值的信息.

13nm CdTe-HgTe量子阱的压致超导电性

研究了13 nm CdTe-HgTe量子阱在高压下的结构和电输运性能,原位高压拉曼测试结果表明:低压时拉曼位移在118 cm^(-1)和138 cm^(-1)处有两个拉曼模式,分别与横向光学声子和纵向光学声子有关.原位高压电输运研究结果表明:13 nm CdTe-HgTe量子阱在4.0 GPa压力下出现了超导现象,超导转变温度(TC)为5.0 K,在9.3 GPa时超导电性消失,继续加压至14.1 GPa时又重新出现超导现象,并且超导电性一直持续到56.2 GPa.