AlGaN/AlInN日盲紫外DBR的研究

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Ⅲ族氮化物半导体材料中的AlN、GaN、InN以及它们的三元或者四元合金化合物均为直接带隙材料,并且可以通过调节组分使其合金化合物的带隙从红外到紫外波段内连续变化。布拉格反射镜(DBR)是微腔器件重要的组成部分,可见和近紫外区的AlGaN/GaN DBR或AlInN/GaN DBR已得到广泛研究,而应用于紫外区的AlGaN/Al(Ga)N或AlInN/Al(Ga)N DBR,由于高A1组分的AlGaN生长比较困难,再加上为了避免高反射区内的光吸收,DBR结构需同时采用两种高A1组分的AlGaN合金材料,限制了折射率的差值,使其研究较晚且进展不大。本论文基于Brunner等人的经验公式模拟了高Al组分AlGaN折射率的变化规律,并依此设计了高反区在日盲波段的AlGaN/AlInN DBR结构,采用分子束外延方法制备了两种AlGaN/AlInN DBR结构。同时,利用X射线衍射(XRD)、紫外-可见光分光光度计、透射电镜(TEM)、二次离子质谱仪(SIMS)等测试设备表征了DBR的微结构和光学特性,对DBR结构的应变以及光学特性做了深入的分析研究。取得的主要研究结果如下:1、利用薄膜光学中的传输矩阵法,计算了构建在LT-AlN缓冲层上的Al0.98In0.02N/AlyGa1-yN DBR结构在中心波长为246nm处的峰值反射率随Al组分的变化规律。在波长246nm处,AlyGa1-yN的折射率随A1组分的增加而降低,从而降低了DBR两种材料的折射率差,进而导致DBR的中心反射率也随着AlyGa1-yN中A1组分的增加而降低。2、采用MBE方法制备了不同周期和A1组分的AlxIn1-xN/AlyGa1-yN DBR结构,DBR结构的第一层和最后一层均为高折射率材料(AlGaN)。通过(0002)对称面和(105)非对称面XRD衍射谱以及倒易空间图计算分析得到了不同DBR结构的应变状态,结果显示在AlInN/AlyGa1-yN DBR结构中,AlGaN层的Al组分越高,周期数越多,DBR外延膜所累积的应变越大。此外,基于XRD模拟分析和SIMS测试结果,得到了DBR双层结构中合金的元素组分比。3、所制备的Al0.98In0.02N/Al0.8Ga0.2N DBR在高反射区的中心波长在246nm,其峰值反射率为83.9%、高反射区半高宽为18nm。根据实验结果分析得到该结构在246nm处的折射率差为9.25%,相比中心波长在近紫外波段的GaN基DBR,该结构呈现出一个相对较高的折射率差值。基于实验测试的DBR参数,采用传输矩阵法模拟了该结构的反射谱,发现实验所测得的反射谱与模拟结果存在较大偏差,分析认为在DBR的TEM图像中所观察到的AlInN和AlGaN非均匀层厚和不平整的AlInN/AlGaN界面是造成这个偏差的主要原因。4、依据实验结果所提取的折射率模拟了中心波长在246nm的日盲紫外Al0.98In0.02N/Al0.8Ga0.2N DBR结构,要使DBR在高反区反射率高于99%所需要的最少周期数为25.5对,模拟得到该结构的高反射区半高宽为19nm。
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