为了提高低温工作环境下808 nm半导体激光器的输出特性, 深入研究了电光转换效率的温度特性。结合载流子泄漏抑制和器件串联电阻的优化考虑, 从理论上深入分析了有源区量子阱内的载流子限制现象, 提出针对低温工作环境下的势垒高度及相应的量子阱结构设计方法, 包括势垒层的材料组分、厚度等重要参数的优化, 极大地改善了器件在低温工作环境下的性能。采用优化后的外延结构, 制备了腔长2 mm的半导体激光巴条。在工作温度-50 ℃、注入电流为600 A时, 巴条输出功率达到799 W, 电光转换效率为71%, 斜率效率为1.34 W/A; 注入电流为400 A时, 器件达到最高电光转换效率73.5%, 此时的载流子限制效率约为99%, 串联电阻为0.43 mΩ; 在-60~60 ℃温度范围内, 中心波长随温度的漂移系数为0.248 nm/℃。

采用SiLENSe(Simulator of light emitters based on nitride semiconductors)软件仿真研究了AlxInyGa1-x-yN电子阻挡层(EBL)Al组分渐变方式对GaN基激光二极管(LD)光电性能的影响, 实现了提高输出功率和电光转换效率的目的。文中提出的四种Al组分渐变方式分别是传统均匀组分、右阶梯渐变组分(0~0.07~0.16)、三角形渐变组分(0~0.16~0)、左阶梯渐变组分(0.16~0.07~0)。结果表明, 与传统均匀组分EBL结构相比, Al组分阶梯渐变AlxInyGa1-x-yN EBL LD导带底的电子势垒显著提高, 价带顶的空穴势垒降低。这主要是由于该结构能有效抑制电子泄漏和提高空穴注入效率, 从而提高有源区载流子浓度, 进而提高有源区辐射复合效率。当注入电流为0.48 A时, 采用Al组分阶梯渐变AlxInyGa1-x-yN EBL结构能将器件开启电压从5.1 V降至4.9 V, 光学损耗从3.4 cm-1降至3.29 cm-1, 从而使光输出功率从335 mW提高至352 mW, 电光转换效率从12.5%提高至13.4%。此外, 讨论了Al组分阶梯渐变EBL结构对GaN基蓝光LD光电性能的影响机制。该结构设计将为外延生长高功率GaN基LD提供实验数据和理论支撑。

为了提高蓝色有机发光二极管的效率, 本文借助溶液法采用TcTa和CzSi混合主体, 制备了蓝色磷光有机发光二极管(PHOLEDs)。此外, 针对三种电子传输材料Tm3PyP26PyB、TmPyPB和TPBi进行了优选, 以进一步优化器件的效率。本文通过优化混合主体材料的掺杂比例和电子传输材料的选择, 不断提高器件的效率。最终, 当TcTa∶CzSi的掺杂比为6∶1、电子传输层TPBi为70 nm时器件性能最优, 其最大亮度(Bmax)、电流效率(CEmax)、功率效率(PEmax)和外量子效率(EQEmax)分别为6 662 cd·m-2、39.40 cd·A-1、23.33 lm·W-1和19.7%。此外, 即使在1 000 cd·m-2的实际亮度下, 电流效率和外量子效率仍高达33.43 cd·A-1和16.7%。

快速响应光电探测器在光通信、高速摄影、生物医学成像等领域有广泛的需求。目前, 市场上应用的快速响应光电探测器大多基于硅、砷化镓等传统的无机半导体材料, 但是其制作工艺复杂、成本较高, 并且机械灵活性差。以石墨烯、二硫化钼为代表的二维材料具有独特的层状结构以及良好的光学、电学、热学和机械特性, 是制备光电探测器的理想材料。尤其是部分二维材料所拥有的超高载流子迁移率特性, 十分适用于研制快速响应光电探测器。近年来, 一系列基于二维材料的金属-半导体-金属结构光电探测器(Metal-semiconductor-metal photodetectors,MSM-PDs)被陆续报道, 很多具有1 μs以下的快速响应特性。本文以基于二维材料的快速响应MSM-PDs为主题进行综述。首先介绍了MSM-PDs中的基本结构及工作原理, 深入剖析了决定其响应速度的主要因素。随后介绍了石墨烯、过渡金属硫化物、黑磷、二维钙钛矿、三元硒氧铋等二维材料的分子结构、光学、电学等特性, 并对各类二维材料在MSM-PDs的应用进行对比。然后分类介绍了响应速度在1 μs以下的欧姆接触型、肖特基接触型以及基于表面等离激元效应二维材料MSM-PDs的研究进展。最后总结全文, 并对二维材料在快速响应光电探测器中的应用前景及发展趋势进行了展望。

垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有生产成本低、调制速率高等优点, 在光通信领域占有重要地位。随着数据需求量的飞速增长, 在长距离信息传输中, 具有低损耗的1 550 nm 波长的VCSEL引起了研究人员的兴趣。本文首先介绍了1 550 nm VCSEL的结构, 然后讨论了其带宽限制因素以及相应的改进方法, 接着从NRZ(不归零)调制和PAM4(四电平脉冲幅度)调制两方面对近年来高速1 550 nm VCSEL的研究进展进行了综述, 最后展望了高速1 550 nm VCSEL在未来光通信领域的发展和应用。

为了改善宽脊波导半导体激光器侧模特性和光谱特性, 提出了一种具有侧向微结构脊波导和高阶脊表面光栅的分布反馈半导体激光器。该激光器在宽脊波导的两侧刻蚀微结构区, 基于各阶侧模光场分布不同的特性, 增大了谐振腔内基侧模与高阶侧模的损耗差, 消除了远场光斑“多瓣”现象并且输出功率有所提升; 同时, 借助高阶脊表面光栅, 器件的线宽得到了进一步压窄。在脊波导宽度50 μm、腔长1 mm的情况下, 与宽脊波导半导体激光器相比, 制备的激光器件在0.6 A驱动电流下实现了对高阶侧模的抑制, 输出功率、斜率效率、电光转换效率分别提升了16.4%、17.9%、15%, 并且光谱特性得到了有效的改善, 光谱线宽约为39 pm。

单层结构对简化有机电致发光器件(OLED)的制备工艺及降低其制造成本具有重要意义。本文采用非掺杂热激活延迟荧光(TADF)发光层, 结合C60(2 nm)/MoO3(3 nm)/C60(2 nm)修饰的ITO阳极及4,7-二苯基-1,10-菲啰啉(Bphen,3 nm)修饰的Ag 阴极, 制备了单层TADF器件(TADF-OLED)。该单层TADF-OLED具有良好的空穴和电子注入能力, 开启电压为3 V, 最大电流、功率及外量子效率分别可达到37.7 cd/A、47.4 lm/W和13.24%。然后, 我们利用“探针法”研究了该单层TADF-OLED的激子分布情况, 发现大部分激子在发光层靠近阳极侧形成。最后, 我们利用经典电磁学理论对器件的光取出效率进行模拟分析, 证实了这种激子分布特性有助于实现较高的光取出效率, 进而改善器件的外量子效率。

光电探测器因可将光信号转换为电信号而被广泛地应用于视频成像、光通信、生物医学成像和运动检测等方面。但由于所采用的传统光电探测器材料对其性能带来的局限性和日益增长的新需求之间的矛盾, 使得寻找新的材料迫在眉睫。近年来新兴的二维材料为制备更高性能的探测器提供了全新的材料研究平台, 其中石墨烯以其独特的电学、光学与热学特性成为下一代高性能光子学最有希望的候选材料之一。本文系统地综述了不同光响应机制下石墨烯基光电探测器研究现状, 并在此基础上对当下不同石墨烯基光电器件发展前景进行了细致的讨论和展望。

金属纳米颗粒的表面等离子体共振效应能够对特定波长入射光的吸收或者散射增强, 正因为其独特的光学性质, 金属纳米颗粒被尝试应用于荧光太阳集光器。本文利用全无机钙钛矿CsPbBr3量子点、Au纳米颗粒和硫醇-烯聚合物制备荧光太阳集光器。研究发现, 掺杂适量Au纳米颗粒可以通过表面等离子体共振效应提高全无机钙钛矿CsPbBr3量子点荧光太阳集光器的外量子效率。当Au纳米颗粒的掺杂浓度为2.0×10-6时, 荧光太阳集光器的外量子效率为12.3%, 相比未掺杂Au纳米颗粒的荧光太阳集光器的外量子效率提升了78.2%。进一步提高Au纳米颗粒的掺杂浓度, 荧光太阳集光器的外量子效率下降。荧光发射谱和荧光寿命谱测试结果显示, 当Au纳米颗粒的掺杂浓度超过2.0×10-6时, 过高的Au纳米颗粒掺杂浓度导致CsPbBr3量子点与Au纳米颗粒之间发生非辐射能量转移, 荧光太阳集光器荧光量子产率(ηPL,LSC)下降导致了外量子效率下降。

对自主研发的940 nm大功率三结垂直腔面发射激光器(VCSEL)单点器件的高温高电流老化失效后的器件进行了失效分析研究。首先, 通过热阻测试确定了加速老化实验的结温, 并计算了老化加速因子为104。随后, 对老化过程中产生的失效器件进行失效分析。通过老化前后器件L-I-V、正反向V-I、光学及红外外观、近场光斑及透射电子显微镜(TEM)研究了器件老化前后性能及发光模式变化, 确定了器件的失效位置, 分析了失效原因,并通过TEM图像确认了器件失效是由P-DBR中的位错生长导致。本文为国际首次对多结VCSEL器件失效分析的研究报道, 对继续优化VCSEL内部结构设计及提升工艺控制能力、提高多结VCSEL器件寿命及可靠性具有一定指导意义。