【摘 要】
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氧化锌(ZnO)是直接带隙半导体,其带隙宽度为3.37 eV,具有大激子结合能(60 meV)、强抗辐射性等优点,使其在紫外探测器、发光二极管以及紫外半导体激光器等方面具有非常重要的应用价值。近年来,通过人们不断努力,ZnO基电泵浦激光器件的研究取得了很大进步,但其性能距离真正实用化要求仍有巨大差距。本论文聚焦ZnO基电泵浦激光器件研究中的困难与不足,尝试从器件结构上进行创新,取得的主要创新性成果
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
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氧化锌(ZnO)是直接带隙半导体,其带隙宽度为3.37 eV,具有大激子结合能(60 meV)、强抗辐射性等优点,使其在紫外探测器、发光二极管以及紫外半导体激光器等方面具有非常重要的应用价值。近年来,通过人们不断努力,ZnO基电泵浦激光器件的研究取得了很大进步,但其性能距离真正实用化要求仍有巨大差距。本论文聚焦ZnO基电泵浦激光器件研究中的困难与不足,尝试从器件结构上进行创新,取得的主要创新性成果如下:(1)实现了基于单根Ga掺杂ZnO(ZnO:Ga)微米带异质结的电泵浦随机激光器件:利用化学气相沉积工艺合成了大尺寸、高结晶质量的ZnO:Ga微米带。微米带相较于其他微纳米结构有助于更高的载流子注入。利用单根微米带与pGaN构筑了异质结器件,器件在反向偏压下,当注入电流超过15 mA时,电致发光(EL)谱上会出现明显的尖锐发射峰。随着反向注入电流的变化,发射强度呈非线性增长,揭示了从自发发射到受激发射的转变。在异质结器件中实现了随机激光,充分证明了ZnO:Ga微米带具有较高的结晶质量和优异的光学、电学特性,可用于电泵浦紫外激光的研究。(2)实现了基于单根ZnO:Ga微米带异质结的电泵浦F-P模式激光器件:ZnO:Ga微米带具有矩形的横截面,其两侧光滑的介质表面可以被用来设计成FP模式谐振腔,进而实现在增益介质中的光放大。利用单根ZnO:Ga微米带和pGaN薄膜构筑了异质结器件,得益于强激子-光子耦合和天然结构的波导特性,成功实现了电泵浦F-P模式激光。波导发射特性可归因于强激子-光子耦合,发生于微米带矩形横截面上。在较低的反向偏压下,可以观察到电驱动的激子-极化发光行为。特别地,施加的偏压超过某一阈值,就可以观察到电泵浦F-P模式激光行为,激射峰分别以410.5 nm和450.5 nm为中心,伴随着半峰宽的急剧变窄,窄至1.0 nm。该结果不仅为相干光源和波导谐振器的制造打开了大门,而且为探索电泵浦低阈值ZnO激光器提供了思路。(3)实现了基于ZnO:Ga微米线十字交叉结构的电泵浦等离子体激光器:利用单根ZnO:Ga微米线与另一根被Au纳米颗粒修饰的ZnO:Ga微米线构筑了十字交叉结构器件。交叉区域两根微米线的光滑介质表面和中间的Au纳米颗粒形成了表面等离子体纳米光学谐振腔。在一定电驱动下,夹层中Au纳米颗粒中的表面等离激元被激发。当微米线两端的电压达到一定阈值条件时,交叉区域会形成强电场,Au纳米颗粒表面等离激元被放大,形成受激辐射。在交叉区域可以观察到明亮的局域化的可见光发射,并且在EL谱中出现一个尖峰。光谱的主要发射波长是以550 nm为中心,半峰宽迅速收窄至2 nm,表明十字交叉结构微米线的EL特征发生了转变,而这种转变来自于荧光发光到受激辐射放大的过渡。因此,基于十字交叉结构实现了电泵浦等离子体激射现象,为研究电泵浦等离子体激光器提供新思路。
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