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《中国科学院长春光学精密机械与物理研究所》 2017年
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氧化锌基电泵浦紫外激光器件研究

杨珣  
【摘要】:氧化锌(ZnO)的禁带宽度为3.37 eV,具有较大的激子束缚能(60 meV)和优异的光电性能,被视为制造低阈值高效紫外激光器的理想候选材料。ZnO基电泵浦紫外激光器的研究已经取得一定进展,但性能仍然需要进一步提高。本论文主要针对当前ZnO基电泵浦激光器的不足展开研究,取得的主要结果如下:(1)第一次实现了压电光电子学效应增强的ZnO电泵浦激光:半导体中的压电光电子学效应(piezophototronic effects)可以调控载流子输运、复合和分离,因而曾被用于改善光电器件,如太阳能电池、光电探测器和发光二极管的性能。在四面体结构的半导体材料中,ZnO具有最大的压电系数,我们首次利用压电效应来改善电泵浦激光器的性能,实验上构建了p-GaN/MgO/ZnO nanowires结构,该结构在16.0 kPa压强作用下,激射阈值从48 V降低到20 V,50 V偏压下的发光效率增加到3.95倍,注入电流增加到1.25倍,输出功率增加到4.96倍。激光器性能的改善来源于注入电流的改善和发光效率的提高。该结果将ZnO的三个主要特点,包括大激子束缚能、大压电系数和容易形成纳米结构同时利用起来,可能为ZnO基激光器件的性能提升找到可行途径,也为压电效应找到新的应用领域。(2)第一次实现了电泵浦ZnO等离子激元模式激光:等离子体激光器利用表面等离子体激元实现光限制、传输和放大,具有很强的电磁场限制性和高自发辐射耦合因子,对电磁场的强限制性使等离子体激光器可以实现更小的物理尺寸和更快的操作速度。其次,高自发辐射耦合因子有利于降低激射阈值。在紫外波段,光子频率接近表面等离子体频率,场限制效应最强,但此波段金属损耗也最强,阻碍受激发射的实现。针对此问题,研究人员提出在金属和半导体之间插入低损耗介质层形成的混合型表面等离子体结构,将电磁场限制在介质层内,在提供强电磁场限制的同时可以降低金属损耗。基于上述金属-绝缘层-半导体(MIS)混合型表面等离子体结构,我们制作了p-GaN/MgO/ZnO/MgO/Ag结构,在该结构中首次实现了超低阈值(9.1 A/cm~2)的紫外波段电泵浦等离子体激光器。该结构中,ZnO被用作增益介质以匹配Ag表面等离子体频率,另外ZnO大的激子束缚能也有利于等离子体激光器的实现。电磁场被限制在MgO介质层中传播,具有较高的自发辐射耦合因子,同时减少了金属中的欧姆损耗。上述结果促进了电泵浦等离子体激光器的发展,也为改善ZnO基紫外激光器性能提供了一种可行方法。
【学位授予单位】:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN248

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