氮化镓基绿光激光器的应力调控波导研究

This project aims to solve the growth difficult of waveguide layer and the low optical confinement factor of GaN based green laser diodes by using a new waveguide structure. This new waveguide structure consists of many InGaN layers and their In content is increased gradually along the growth direction. The optical confinement factor increases and the stress in MQW region may decrease when the new waveguide structure is used. Therefore, the performance of green laser diodes will be improved. In order to obtain a proper waveguide structure suitable for GaN based green laser diodes, we must study the effect of waveguide structure on optical field distribution, dislocation formation process and stress in GaN based green laser diodes firstly, and clarify the details about the related physical properties. Then, the MOCVD growth method of the new waveguide structure and the application in the green laser diodes must be investigated. The research will provide fundamental materials for the realization of GaN based green laser diodes.

本项目拟针对GaN基绿光激光器波导层生长难度大，光场限制因子低的问题，提出采用In组分阶梯状递增的多层InGaN应力调控波导结构，在增加有源区的光场限制因子的前提下，降低量子阱区的应力，提高材料的发光效率，实现绿光激光器的性能调控。研究波导层结构对激光器的光场分布、缺陷演变过程及量子阱区应力的影响，阐明相关的物理机制；掌握应力调控波导层的制备方法和生长技术；并研究应力调控波导层在绿光激光器中的应用。本项目将为更高性能的GaN基绿光激光器的制备奠定基础。

氮化镓（GaN）材料体系光谱范围覆盖了从近红外到深紫外全波段，是制备蓝绿光发光器件的理想材料。以GaN为核心材料的激光器在激光显示、激光微投影、水下通讯等领域有重要的应用价值，市场空间巨大。制约国内GaN基激光器发展的瓶颈主要是GaN基材料质量。尤其是在长波长激光器中，其AlGaN的Al组分和InGaN的In组分都需要比较高。因此实现高质量GaN基材料生长是实现GaN基激光二极管器件国产化的关键。本项目针对GaN基绿光激光器高In组分InGaN波导层生长难度大，光场限制因子低的问题，从InGaN材料生长技术和波导结构设计方面展开研究，研究了 InGaN 单层的生长温度、生长速率及氨气流量对 InGaN 层质量的影响，阐述了 In、 Ga 原子的竞争机制及氨气的双重作用，实现了高质量的 InGaN 单层生长，并进行了 InGaN 单层光学特性的分析；此外，理论上进行了激光器波导结构的设计，发现提高InGaN波导层的In组分、ALGaN限制层的Al组分及采用渐变波导层可以提高光场限制因子，并将研究结果应用于激光器器件中，最终实现了波长~500nm的绿光激光器的室温电注入激射，为高性能的GaN基绿光激光器的制备奠定了基础。