表面等离子激元在半导体发光器件应用的理论和实验研究

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题名	表面等离子激元在半导体发光器件应用的理论和实验研究
作者	黄增立
学位类别	博士
答辩日期	2012-05
授予单位	中国科学院研究生院
授予地点	北京
导师	王建峰 ; 徐科 ; 杨辉
关键词	表面等离子激元 LEDs 内量子效率等离子激元增益波导等离子激元纳米激光器
学位专业	微电子与固体电子学
中文摘要	表面等离子激元（Surface Plasmon Polaritons，SPPs）是基于在金属界面或其纳米结构上的电磁辐射场和金属表面自由电子的相互作用过程而形成的一种光子和电子集体振荡的耦合态，这种相互作用过程产生了一种亚波长尺寸的光学近场增强效应。把这种新奇的亚波长光学振荡强场引入到半导体发光器件中，不仅能调节增强LEDs 量子阱中载流子的辐射复合速率，从而提高其发光效率，而且能够实现高品质因子、亚波长模式体积的激光共振模的受激辐射。高效率的LEDs和亚波长纳米尺寸的半导体激光器在光电子器件、纳米集成光路及微纳传感等领域有着广阔的应用前景。本文主要从理论和实验上研究了表面等离子激元和半导体发光器件相互作用的物理机制和应用。主要的研究内容和成果如下： 1、利用FDTD 方法分析了表面等离子激元和LEDs 量子阱耦合作用中两种金属光栅结构对表面等离子激元萃取效率的影响。结果表明：金属光栅的周期会影响光的萃取峰位，而光栅的占空比和深度会影响萃取峰位的强度。我们提出在商业化LEDs 器件P 型GaN 表面加工光栅结构然后沉积金属光栅，能够克服隔离层太厚无法实现量子阱和等离子激元耦合的困难。模拟结果显示这种光栅结构能够获得更好的表面等离子激元萃取效率。高出光效率和小隔离层厚度的金属光栅结构为实现商业化的基于等离子激元的高效LEDs 器件提供必要的研究基础。 2、通过光致发光（PL）方法研究金属银和铝两种金属表面等离子激元和LEDs 量子阱耦合对LEDs 发光效率的增强作用, 比较不同P-GaN 隔离层厚度对增强作用的影响。结果显示：引入金属银等离子激元效应后，LEDs 的内量子效率获得了1.8 倍的增强(33%到59%)，增强效应随着隔离层厚度增加逐渐下降。通过改变激发功率和温度研究了不同内量子效率下的等离子激元的发光增强和抑制作用。结果显示LEDs 的内量子效率会随着温度和激发功率而发生改变，这种变化引起等离子激元和量子阱耦合增强和抑制效应相应变化趋势。基于等离子激元和量子阱耦合基本的出光模型和本身LEDs 的出光模型进行比较，发现LEDs 本身内量子效率和等离子激元的萃取效率之间的平衡关系能够解释这种增强和抑制效应的变化。结合扫描电镜技术（SEM）安装的阴极荧光（CL）针对等离子激元和量子阱耦合局部发光特性进行了研究。主要关注两个方面的内容，其一不同温度下耦合前后对局部发光峰位的调节。其二我们分析了峰位和CL 发光积分强度的关系。这种局部耦合发光特性的研究证实温度对耦合效应的影响，从而验证增强发光的效应是因为增强了辐射复合率。我们采用标记的方法原位研究了溅射金属膜前后CL 局部发光变化。结果显示表面等离子激元耦合增强LEDs 的发光效率依赖于初始LEDs 内量子效率，当LEDs 内量子效率较高时，并不会显现什么增强效果。 3、采用了本征波导模数值模拟的方法对半导体GaN/InGaN 纳米线和表面等离子激元相互耦合杂化波导的传播特性进行了研究。结果显示在不同的隔离层厚度下，合适的半导体纳米线高度和宽度的选择能够实现深亚波长局域的光子集成和低阈值的等离子激元纳米激光器。其次提出了一种楔形半导体纳米线和表面等离子激元杂化耦合的波导结构。结果显示楔形半导体纳米线波导模式和金属表面等离子激元模式能够在较小的隔离层厚度下实现两种模式的杂化，这种杂化模式结合了强局域的隔离层狭缝模和长范围的杂化等离子激元模的优势。在相同的传播有效模面积，其传播距离甚至能够提高一个数量级。这有利于发展强局域、高品质因子的等离子激元半导体纳米激光器及有源纳米光子器件。 4、基于半导体-隔离层-金属杂化等离子激元结构，我们研究在低有效折射率下半导体杂化等离子激元纳米激光器的振荡特性，以及在隔离层侧壁引入金属实现低金属损失高品质因子的表面等离子激元纳米激光器。结果显示金属覆盖的杂化正方形腔体能够在低有效折射率下实现必要的腔体反馈。我们在低金属损失下获得了较高的品质因子。该激光器的法布里珀罗振荡模式有益于实现方向性的激光波导输出，为进一步的纳米光子集成打下基础。利用楔形半导体纳米线结构研究了等离子激元杂化环形振荡器的腔体特性。楔形振荡结构的引入能够大大减少金属的损失，同时减少激光振荡模式的有效模面积。我们同时发现在改变楔形高度下，环形振荡器中两种腔体杂化等离子激元振荡模式发生了反交叉的耦合，使得一种模式的Q 因子大大增加，达到300 左右，而其模式面积仅为λ2/350和λ2/50。另外一种模式的Q 因子反而减少。并且随着楔形高度的进一步增加，这两种振荡模式能够相互转变。该结果对杂化等离子激元模式耦合的物理性质的研究及高品质因子的等离子激元半导体纳米激光器的实现都有重要意义。
语种	中文
公开日期	2012-09-11
内容类型	学位论文
源URL	[http://58.210.77.100/handle/332007/710]
专题	苏州纳米技术与纳米仿生研究所_测试分析平台
推荐引用方式 GB/T 7714	黄增立. 表面等离子激元在半导体发光器件应用的理论和实验研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2012.