GaN基双波长发光二极管电致发光谱特性研究

通过同时调节同一有源区内不同阱层和垒层的In组分，制备了GaN基单有源区蓝、绿光双波长发光二极管(LED).实现了20mA下蓝、绿光同时发射.实验发现随注入电流由10mA增大到60mA，电致发光(EL)谱中绿光峰强度相对于蓝光峰强度不断增强，峰值波长蓝移也更加明显.同时考虑极化效应和载流子不均匀分布的影响，通过对一维薛定谔方程、稳态速率方程和泊松方程的联立自洽求解.分析了测试电流下蓝、绿光EL谱峰值波长和功率的变化情况.发现理论结果与实验结果有很好地符合. 关键词： 极化 载流子不均匀分布 双波长     

InGaN/GaN多量子阱结构发光二极管发光机理转变的低频电流噪声表征

本文对InGaN/GaN多量子阱结构发光二极管开启后的电流噪声进行了测试, 结合低频电流噪声的特点和载流子之间的复合机理, 研究了低频电流噪声功率谱密度与发光二极管发光转变机理之间的关系. 结论表明, 当电流从0.1 mA到10 mA逐渐增大的过程中, InGaN/GaN发光二极管的电流噪声行为从产生-复合噪声逐渐接近于低频1/f噪声, 载流子的复合机理从非辐射复合过渡为电子与空穴之间载流子数的辐射复合, 并具有标准1/f噪声的趋势, 此时多量子阱中的电子和空穴之间的复合趋向于稳定. 本文的结论提供了一种表征InGaN/GaN多量子阱发光二极管发光机理转变的有效方法, 为进一步研究发光二极管中载流子的复合机理、优化和设计发光二极管、提高其发光量子效率提供理论依据.     

InGaN/GaN多量子阱蓝光发光二极管老化过程中的光谱特性

系统地研究了小注入电流(＜4 mA)下InGaN/GaN多量子阱结构蓝光发光二极管的发光光谱特性在老化过程中的变化。对比老化前后的电致发光(EL)光谱,发现在注入电流1 mA下的峰值波长(peak wavelength)和半高宽(FWHM)随老化时间增加而减小,变化过程分两个阶段：前期(＜100 h)减小速度较快,而后逐渐变缓,呈现出与LEDs的发光光功率一致的变化规律,说明LEDs的等效极化电场在老化过程中减弱,这一变化和量子阱内缺陷的增加有明确的关系。通过电学特性测量发现同一结电压(V_j=1.8 V)下的结电容C_j和由交流小信号I—V方法计算得到的注入电流1 mA下的结电压V_j随老化时间增加而增大,明确了在同等小注入电流下量子阱内的载流子浓度随老化过程增加。分析表明在老化过程中InGaN/GaN 多量子阱结构蓝光发光二极管量子阱内的缺陷及其束缚的载流子数量增加,形成了增强的极化电场屏蔽效应,减弱的等效极化电场导致了量子阱的能带倾斜变小,带边辐射复合能量增大,能态密度增多,对应的发光过程的峰值波长变短(蓝移),半高宽变窄。     

蓝紫光发光二极管中的低频产生-复合噪声行为研究

本文对GaN基InGaN/GaN多量子阱结构、蓝紫光发光二极管(light-emitting diode, LED)的电流噪声进行了测试,电流测试范围为0.1—180 mA.根据电流噪声的特点,结合LED中载流子之间的产生-复合机制,探讨了电流注入下LED中载流子的产生与复合机制和低频噪声产生的机理.结论表明,随着电流从0.1 mA逐渐增大到27 mA, LED中的电流噪声具有低频产生-复合(generation-recombination, g-r)噪声的特性;当电流逐渐增大到50 mA及以上时,电流噪声的行为接近1/f噪声.采用电子元器件中公认的电流噪声模型,拟合了低频电流噪声功率谱密度与频率之间的关系,结合LED中载流子的输运机理和复合机制,从理论上分析了LED在电流注入时g-r噪声幅值和转折频率的变化规律.本文的结果提供了一种检测和表征多量子阱结构蓝紫光LED在电流逐渐增大过程中发光机制转变的有效手段,为提高其发光量子效率提供理论依据.     

高In组分InxGa1－xN/GaN多量子阱材料电致荧光谱的研究

研究了高In组分In_xGa_1-xN/GaN（x≈30%）多量子阱（MQWs）结构 发光二极管样品在不同注入电流下的电致荧光（EL）谱及反常的双峰现象.结果表明：有源区 内建电场在外界电流注入条件下逐渐受屏蔽，这一效应在高In组分In_xGa_{1 -x}N/GaN MQWs材料的发光复合机理中占有重要地位. 关键词： xGa_1-xN/GaN多量子阱')" href="#">In_xGa_1-xN/GaN多量子阱 电致荧光谱 内建电场     

图形化蓝宝石衬底上InGaN/GaN多量子阱发光二极管的光谱特性研究

运用电致发光(EL)和光致发光(PL)实验,分析了图形化蓝宝石衬底(PSSLEDs)和常规平面蓝宝石衬底(C-LEDs)InGaN/GaN多量子阱发光二极管的光谱特性。对比EL谱,发现PSSLEDs拥有更强的光功率和更窄的半峰宽(FWHM),说明PSSLEDs具有较高的晶体质量。其次,PSSLEDs的EL谱半峰宽随电流增加出现了更快的展宽,而这两种LED样品的PL谱半峰宽随激光功率增加呈现了基本相同的展宽变化,说明在相同电流下,PSSLEDs量子阱中载流子浓度更高,能带填充效应更强。另外,随着电流的增加,PSSLEDs和C-LEDs的峰值波长都发生蓝移,且前者的蓝移程度较小,结合半峰宽的对比分析,说明PSSLEDs量子阱中的极化电场较小。最后,对比了PSSLEDs和C-LEDs的外量子效率随电流的变化,发现PSSLEDs拥有更严重的efficiency droop,说明量子阱中极化电场不是导致efficiency droop的主要原因。     

甚长波量子阱红外探测器的暗电流特性研究

基于载流子在量子结构中的输运理论研究了甚长波量子阱红外探测器(峰值响应波长15μm，量子阱个数大于40)的载流子的输运性质.研究结果表明，在甚长波量子阱红外探测器中，电流密度一般很低，暗电流主要来源于能量高于势垒边的热激发电子.通过薛定谔方程和泊松方程以及电流的连续性方程的自洽求解，发现外加偏压下电子浓度在甚长波器件各量子阱的分布发生较大变化，电场在整个器件结构上呈非均匀分布，靠近发射极层的势垒承担的电压远远高于均匀分布的情形.平带模型假定电压在器件体系上均匀分布，导致小偏压下的理论计算值远远低于实验值. 关键词： 甚长波量子阱红外探测器 量子波输运 暗电流     

GaN基量子阱的激子跃迁和光学性质

采用光致发光谱、光致发光激发谱以及拉曼光谱对GaN基量子阱材料进行了实验观察和分析 .实验结果表明样品中量子点结构不均匀及InGaN层中In成分分布不均匀 ,且其光致发光谱的波峰是由自由激子辐射复合发光引起的 .同时由室温下InGaN/GaN量子阱的拉曼谱可得知InGaN/GaN多量子阱的结构特征     

多量子阱中注入载流子的非均匀分布

根据多量子阱中注入载流子的输运机制，计算了多量子阱中注入载流子的非均匀分布.引入不均匀度参量Asy来衡量载流子分布的不均匀程度，分析了各种敏感因素对载流子非均匀分布的影响.指出注入载流子分布的非均匀性，随量子阱数、注入电流、量子垒高度的增加而显著增加，随工作温度的升高而减小.     

高效InGaN/AlInGaN发光二极管的结构设计及其理论研究（英文）

利用Advanced Physical Models of Semiconductor Devices(APSYS)理论对比研究了InGaN/AlInGaN和InGaN/GaN多量子阱作为有源层的InGaN基发光二极管的结构和电学特性。与InGaN/GaN基LED中GaN作为垒层材料相比,在AlInGaN材料体系中,通过调节AlInGaN中Al和In的组分可以优化器件的性能。当InGaN阱层材料中In组分为8%时,可以实现无应力的In0.08Ga0.92N/AlInGaN基LED。在这种无应力结构中可以进一步降低大功率LED的"效率下降"(Effciency droop)问题。理论模拟结果显示,四元系AlInGaN作为垒层可以进一步减少载流子泄露,增加空穴注入效率,减少极化场对器件性能的影响。在In0.08Ga0.92N/AlInGaN量子阱中的载流子浓度、有源层的辐射复合率、电流特性曲线和内量子效率等方面都优于InGaN/GaN基LED。无应变AlInGaN垒层代替传统的GaN垒层后,能够得到高效的发光二极管,并且大电流注入下的"效率滚降"问题得到改善。     

基于SOA全光偏振调制的双信道光传输系统的仿真与分析

仿真并分析了基于半导体光放大器全光偏振调制的双信道光传输系统模型.该系统分别利用两级半导体光放大器的交叉偏振调制效应(XPolM),将两路独立的强度调制的抽运光变换到一路探测光的两个正交的偏振态上,实现双通道偏振复用的全光数据传输.首先对单个半导体光放大器的动力学过程进行了理论分析,数值计算了具有不同抽运光功率的半导体光放大器对探测光偏振态的影响,进而对双半导体光放大器偏振复用系统的调制/解调原理进行了分析,模拟仿真了双半导体光放大器的双通路偏振复用的调制及解调过程,仿真结果与实验结果相符.     

偏振和衍射双重效应影响的Schmidt棱镜特性

一束偏振光经过Schmidt棱镜的两个不同路径,成为两个不同的偏振状态,使得出射光束的偏振态呈现非均匀分布.为了探索偏振态非均匀分布对Schmidt棱镜传光质量的影响机理,将两个路径对应的光波函数引入屋脊衍射积分方程,得到了偏振效应影响的屋脊衍射场强分布.场强分布的数字计算表明:在偏振效应和衍射效应的双重影响下,经Schmidt棱镜出射的光场分布出现了严重变形;对应同一入射线偏振光出现的P、S两分量位相差的差异,使得P、S分量的屋脊衍射光强分布I_P、I_S有很大差异,这种差异在入射线偏振光方位角为0°和90°时达到最大;而合光波的衍射光强I_P+I_S是分裂为有一定空间间距的多峰分布,但多峰分布随入射线偏振光方位角的变化比较小.实验拍摄了He-Ne激光经Schmidt棱镜衍射后出射光强分布图.实验结果和理论分析一致性表明:Schmidt棱镜中的偏振效应和屋脊衍射效应导致了一束入射线偏振光分裂为有一定空间间距的多峰光束,严重破坏了Schmidt棱镜的传光特性.     

偏振和衍射双重效应影响的Schmidt棱镜特性

一束偏振光经过Schmidt棱镜的两个不同路径,成为两个不同的偏振状态,使得出射光束的偏振态呈现非均匀分布.为了探索偏振态非均匀分布对Schmidt棱镜传光质量的影响机理,将两个路径对应的光波函数引入屋脊衍射积分方程,得到了偏振效应影响的屋脊衍射场强分布.场强分布的数字计算表明:在偏振效应和衍射效应的双重影响下,经Schmidt棱镜出射的光场分布出现了严重变形;对应同一入射线偏振光出现的P、S两分量位相差的差异,使得P、S分量的屋脊衍射光强分布IP、IS有很大差异,这种差异在入射线偏振光方位角为0°和90°时达到最大;而合光波的衍射光强IP+IS是分裂为有一定空间间距的多峰分布,但多峰分布随入射线偏振光方位角的变化比较小.实验拍摄了He-Ne激光经Schmidt棱镜衍射后出射光强分布图.实验结果和理论分析一致性表明:Schmidt棱镜中的偏振效应和屋脊衍射效应导致了一束入射线偏振光分裂为有一定空间间距的多峰光束,严重破坏了Schmidt棱镜的传光特性.     

Fluorescence versus laser effect: Towards a unified theory

A single evolution equation is established to treat the mechanisms of fluorescence and the laser effect, using a mixed representation, classical for the electromagnetic field and quantum for the dipoles. The model approach takes advantage of the principle of conservation of energy for the system of electromagnetic field and dynamic dipole. A resulting nonlinear differential equation is derived and is shown to sustain two fixed points associated with fluorescence and laser emission. The existence of a pumping threshold is confirmed for the laser effect. In particular the pumping rate determines whether light will be emitted by fluorescence or by the laser effect, and there is no pumping that engenders fluorescence and laser emission simultaneously. The initial physical conditions, chosen to integrate the evolution equation in time, assume a nonvanishing electric polarization of the emitting dipole rather than a nonvanishing electromagnetic field. The distribution function accounting for the thermal fluctuations of the random initial polarization is also calculated.     

考虑探测器γ特性的光电偏振成像系统偏振信息重构方法

由于探测器响应的γ特性, 造成光电偏振成像中直接利用图像灰度重构的偏振信息与真实目标场景偏振信息的严重偏离, 基于重构偏振信息的后续定量化处理将完全失去意义. 为此, 提出了一种考虑探测器γ特性的光电偏振成像系统偏振信息重构方法, 分别针对分时和同时偏振成像模式分析了实现方法, 并设计进行了实际偏振成像实验. 实验数据表明: 探测器γ特性直接影响偏振成像系统重构的斯托克斯矢量和偏振度, γ值偏离1越大, 直接利用图像灰度重构的偏振度的重构误差也越大; 该偏振信息重构方法能够准确地重构出目标场景的斯托克斯矢量和偏振度信息, 为后续偏振成像的研究和定量应用奠定了理论基础.     

拉曼效应对低双折射光纤偏振特性的影响

在低双折射光纤中,利用线偏振光满足的包含拉曼效应的非线性耦合模传输方程,通过引入斯托克斯参量,导出了斯托克斯参量所满足的耦合模传输方程.利用庞加莱球图示法,描述了拉曼增益效应作用下光波偏振态的演化,研究分析了拉曼效应对低双折射光纤中光波偏振态演化规律的影响.结果表明,当输入功率与运动常量满足一定关系时,拉曼增益效应改变了光波传输时其偏振态演化周期和偏振态的椭圆率.     

星载多角度偏振成像仪非偏通道全视场偏振效应测量及误差分析

星载多角度偏振成像仪自身的光学系统有一定的偏振效应,会影响非偏通道的辐射测量精度.斜入射到光学元件上的光透射率是偏振敏感的,导致了光学系统的线偏振效应.为精确反演解析出观测目标光的辐射强度,需对成型仪器本身的偏振效应进行准确的测量、定标、校正.通过分析仪器原理和光路结构,详细推导出仪器非偏通道含线偏振效应的辐射测量模型,并根据实际镜头特点合理简化了模型.提出了基于不同偏振角的完全线偏光在仪器全视场内稀疏入射并最小二乘拟合响应值的方法,对非偏通道全视场线偏振效应进行测量和定标,同时对此方法的定标过程进行了仿真.另外,分析了仪器主要物理参数有偏差时对不同偏振态入射光的反演误差,如仪器单像元方位角、显式起偏效应、低频透过率.对仪器开展了实验室定标实验,得到了仪器主要物理参数范围及其拟合偏差量,进一步算出显式起偏效应参数偏差引起的辐射定标强度相对误差最大为0.4%,满足仪器辐射精度5%的要求并留足余量.该研究为仪器非偏通道全视场的高精度辐射测量、定标及后期数据处理提供了理论依据及实验指导.     

Intra-dot relaxation and dephasing rates from time-resolved photoluminescence from InAs quantum dot ensembles

An ensemble of InAs quantum dots with ground state transition energies centered at 1.216 eV and density 10¹¹dots/cm² has been studied by time-resolved photoluminescence (PL). The wavelength of the 100-fs excitation pulse was tuned through the ground (excited) state transitions, resulting in resonant (optical phonon sideband) PL. The decay of the PL was time resolved with a streak camera in the interval 1.5–3 ns to avoid scattered laser light. The intensity of the PL was recorded with its polarization both parallel with and perpendicular to the excitation polarization (along one of the crystal’s cleave axes); the ratio is 2.22 at low temperatures and low excitation. A phenomenological rate equation analysis is made, separating the excitations into two classes, one polarized along the excitation polarization and the other unpolarized (either that way immediately after the excitation pulse or scattered from the first class). Excellent fits to the data lead to the conclusion that both classes decay radiatively with a lifetime of 1 ns, and a transfer from the polarized to the unpolarized species takes place with a distribution time of 12 ns at low temperatures and low excitation, dropping rapidly toward zero for temperatures above 30 K and for intense excitation levels. The polarization of a coherently excited ground state exciton should dephase with a rate equal to the sum of the radiative rate plus the inverse of this distribution time.     

Steady state response of optical feedback in orthogonally polarized microchip Nd:YAG laser based on optical feedback rate equation

We present a rate equation model to explain and simulate the steady state response of optical feedback in orthogonally polarized microchip Nd:YAG lasers, which is observed in our experiment: When the external-cavity length is tuned, the two orthogonal polarization states perform an opposite-phase power modulation. With the increase of feedback light intensity, the power modulation of each orthogonal polarization state will present an amplitude increase, and finally become a polarization-state hopping; when the frequency difference of the two orthogonal polarization states is tuned, the power modulation amplitude performs a periodic variation. The theoretical analysis and numerical simulation are in good agreement with the experimental results.