Abstract
本文在GaN基共振腔发光二极管（RCLED）顶部设计制备了高反膜结构分布式布拉格反射镜（DBR）和滤波器结构DBR两种反射镜，对比分析了两种反射镜的反射率曲线特征以及对应的RCLED器件的光输出纵模模式、光谱线宽和输出光强等性能差异，详细研究了顶部反射镜的光反射特性对RCLED器件输出光谱性能的影响机理。研究结果表明，顶部反射镜是RCLED的重要组成部分，其反射率曲线特征决定器件的光输出性能。常规高反膜结构DBR顶部反射镜的反射率曲线具有较宽的高反射带，将其作为顶部反射镜可有效压窄RCLED发光纵模线宽，但是发光光谱仍呈现多纵模光输出特征。滤波器结构DBR顶部反射镜的反射率曲线在中心波长处具有较窄的透光凹带，利用透光凹带对输出光的调制作用，器件可实现单纵模光输出，在光通信、光纤传感等领域展示了广阔的应用前景。通过进一步设计RCLED顶部反射镜结构，可以改变其反射率曲线特性，进而优化RCLED器件的输出光谱特性，以满足器件在多个领域的应用需求。
Highlights
摘要 本文在 GaN 基共振腔发光二极管(RCLED)顶部设计制备了高反膜结构分 布式布拉格反射镜(DBR)和滤波器结构 DBR 两种反射镜,对比分析了两种反 射镜的反射率曲线特征以及对应的 RCLED 器件的光输出纵模模式、光谱线宽和 输出光强等性能差异,详细研究了顶部反射镜的光反射特性对 RCLED 器件输出 光谱性能的影响机理。研究结果表明,顶部反射镜是 RCLED 的重要组成部分, 其反射率曲线特征决定器件的光输出性能。常规高反膜结构 DBR 顶部反射镜的 反射率曲线具有较宽的高反射带,将其作为顶部反射镜可有效压窄 RCLED 发光 纵模线宽,但是发光光谱仍呈现多纵模光输出特征。滤波器结构 DBR 顶部反射 镜的反射率曲线在中心波长处具有较窄的透光凹带,利用透光凹带对输出光的调 制作用,器件可实现单纵模光输出,在光通信、光纤传感等领域展示了广阔的应 用前景。通过进一步设计 RCLED 顶部反射镜结构,可以改变其反射率曲线特性, 进而优化 RCLED 器件的输出光谱特性,以满足器件在多个领域的应用需求。
当器件顶部蒸镀 9 对滤波器结构 DBR 反射镜时,器件发光光谱中心波长两 侧纵模消失,只留下了中心波长处的纵模,呈现出单峰发射的特征,实现了单纵 模光输出。这是由于顶部反射镜反射率 95%对应的波长位于中心纵模处,此位置 的干涉增强效果最明显,而中心波长两侧的顶部反射镜反射率接近 100%,基本 没有光输出,单纵模线宽仅有 0.6nm。
Summary
摘要 本文在 GaN 基共振腔发光二极管(RCLED)顶部设计制备了高反膜结构分 布式布拉格反射镜(DBR)和滤波器结构 DBR 两种反射镜,对比分析了两种反 射镜的反射率曲线特征以及对应的 RCLED 器件的光输出纵模模式、光谱线宽和 输出光强等性能差异,详细研究了顶部反射镜的光反射特性对 RCLED 器件输出 光谱性能的影响机理。研究结果表明,顶部反射镜是 RCLED 的重要组成部分, 其反射率曲线特征决定器件的光输出性能。常规高反膜结构 DBR 顶部反射镜的 反射率曲线具有较宽的高反射带,将其作为顶部反射镜可有效压窄 RCLED 发光 纵模线宽,但是发光光谱仍呈现多纵模光输出特征。滤波器结构 DBR 顶部反射 镜的反射率曲线在中心波长处具有较窄的透光凹带,利用透光凹带对输出光的调 制作用,器件可实现单纵模光输出,在光通信、光纤传感等领域展示了广阔的应 用前景。通过进一步设计 RCLED 顶部反射镜结构,可以改变其反射率曲线特性, 进而优化 RCLED 器件的输出光谱特性,以满足器件在多个领域的应用需求。. 关键词:GaN 基 RCLED,高反膜结构 DBR,滤波器结构 DBR,单纵模发光 PACS:78.20.Bh, 78.66.Fd, 85.30.De, 85.60.Jb 输出光强等性能的影响机理。基于理论模拟结果,制备了具有两种 DBR 结构顶 部反射镜的 GaN 基 RCLED,并测试分析了两种器件的输出光谱性能,采用滤波 器结构 DBR 作为器件的顶部反射镜,在 RCLED 器件中实现了窄带单纵模光出 射,在光通信和光纤传感等领域展示了广阔的应用前景。 2.1 器件结构设计 本文设计的 RCLED 器件结构如图 1 所示。有源区为 InGaN/GaN 多量子阱, 底部反射镜采用金属 Ag 基反射镜,反射率大约为 95%,顶部反射镜为 Ta2O5/SiO2 介质膜 DBR,可采用成熟的电子束蒸发方法制作。为保证器件良好的散热性能, 在制作过程中将热导率差的蓝宝石衬底去掉,外延层转移到导热性好的 Cu 衬底 上。器件的电极结构为垂直结构构型,底部 Ag 基反射镜不仅可作为反射镜,还 可作为欧姆接触层。整个器件制作工艺与现有的垂直结构 LED 工艺兼容,有利 于将来产业化应用。 图 1 GaN 基 RCLED 器件结构示意图 Fig.1 Schematic illustration of GaN-based resonant cavity light emitting diode
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