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本论文针对GaN基激光器面临的科学难题和技术挑战,进行了GaN基激光器相关的器件物理、MOCVD生长和特性等方面的分析研究,特别是从理论和实验多方面探索研究了GaN基激光器的激射机制。取得的主要结果如下: 1、在器件物理理论方面,利用理论计算首次对宽禁带半导体GaN基激光器与GaAs、InP窄带半导体激光器进行了对比研究,阐明了他们在电学特性上具有的显著差别。从理论上预言,在室温条件下,GaN基激光器中可能存在大量的束缚激子,并分析了激子及其多体效应、极化场、载流子迁移率及温度对器件性能的影响,探究了相关的物理机制; 2、在MOCVD生长方面,首次报道了通过应力调控手段,将p型AIGaN/GaN超晶格中Mg受主的激活能由150meV降低至70meV,空穴浓度提高23倍达1018cm-3数量级;即使超晶格中Al组分x由0.14提升至0.3,空穴浓度仍没有明显降低;通过透射电子显微镜以及X射线倒空间mapping发现p型超晶格中的应力调制是由AlN插入层界面上新产生的倾斜刃位错所导致的。 3、在优化材料生长的基础上,完成了GaN基激光器的MOCVD生长,全面提升了外延片的质量,实现了GaN基激光器的室温电注入激射,并将激射波长由紫光波段的405nm扩展至蓝光波段的434nm。 4、在激光器特性研究方面,首次提出半导体激光器的激光相变是一个准二级相变过程,它对应着阈值区而非阈值点;揭示了GaN基激光器有源区两端电子和空穴准费米能级差Vj是粒子数反转的宏观可观测量;通过正向交流小信号法对GaN基激光器和其他材料系的半导体激光器进行了深入细致的研究,结合理论计算分析了激光器能级结构与宏观物理性质的关系;实验发现在GaN基激光器的阈值区,Vj表现为短暂的“钉扎”(或下沉),两个扭折点与光功率曲线的一阶微分的两个扭折对应;在阈值区以上,随着注入的增强,Vj持续上升,没有如GaAs、InP基激光器那样表现为Vj的“钉扎”。 5、研究了GaN基激光器的激射机制,发现在远低于阈值的低注入条件下,Vj已经实现了激光器激射的必要条件,并用特别设计的实验证实其在低于阈值情况下就出现了受激辐射;提出了GaN基激光器中激子辐射复合的激射机制;在实验上细致测量了GaN基激光器的光谱及光功率曲线在不同偏振角度下随注入的变化;通过光谱及光功率的指认,发现在阈值以下,GaN基激光器的端面辐射由两部分组成,一个是线偏振的辐射,另一个是各向同性的辐射;前者在复合发光开始时,即成为辐射的主要部分;其峰值在阈值以下20mA的范围内不随注入而改变,半峰宽随注入变窄,并在阈值后演变为激光输出,表现出了激子激光的特性。