本文關(guān)鍵詞：銀納米線薄膜作為垂直腔面發(fā)射激光器電流擴展層的研究

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【摘要】：垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,簡稱為VCSELs)具有低閾值工作電流、高度穩(wěn)定的動態(tài)單縱模工作、圓形對稱的發(fā)散角小的光束、高頻率的調(diào)制帶寬、易于單片二維集成以及低制作成本等優(yōu)勢,從而迅速在光纖通訊、光子計算、光學(xué)存貯、光學(xué)顯示、激光打印等領(lǐng)域得到了巨大應(yīng)用,并得到了研究者廣泛青睞。然而,對于垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器而言由于其有源區(qū)厚度很薄,單程可獲得的光增益很小,很難在低工作電流情況下,獲得大的輸出光功率,為此需要增大其出光孔徑和有源區(qū)面積。但是對于普通環(huán)形電極結(jié)構(gòu)VCSELs來說,由于載流子在有源區(qū)中的聚集效應(yīng)使注入的工作電流只是通過有源區(qū)邊緣環(huán)形區(qū)域一個很窄的通道,在有源區(qū)中的載流子密度分布不均勻,直觀表現(xiàn)為其激射光斑呈現(xiàn)明顯環(huán)狀以及環(huán)中間光強很弱的現(xiàn)象,尤其當(dāng)器件尺寸較大時,這種現(xiàn)象會更加明顯。本文從改善器件注入電流不均勻、減少器件等效熱阻、簡化制作工藝、增大器件輸出光功率出發(fā),設(shè)計的一種以銀納米線薄膜作為電流擴展層的垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器。通過將銀納米線薄膜均勻旋涂于普通環(huán)形電極結(jié)構(gòu)VCSELs的表面,在現(xiàn)有理論和實驗條件下設(shè)計并成功制備出了發(fā)光更加均勻的VCSELs激光器件。對比并分析旋涂有銀納米線薄膜的VCSELs器件和沒有銀納米薄膜的VCSELs器件有源區(qū)中電流密度分布對于器件發(fā)光質(zhì)量的影響。分析結(jié)果表明,旋涂有銀納米線薄膜作為電流擴展層的垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器比沒有銀納米線薄膜的垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器更加有利于載流子的均勻分布,有效避免了激光器環(huán)形電極注入引起的載流子的聚集效應(yīng),并且使傳統(tǒng)環(huán)形電極結(jié)構(gòu)中幾乎不發(fā)光的中央?yún)^(qū)域得到了充分利用,同時有效增大了器件的發(fā)光面積。種種結(jié)果表明,在VCSELs表面鋪設(shè)有銀納米線薄膜可以在一定程度上提高器件的出光質(zhì)量。本文主要工作內(nèi)容概括如下:1.模擬計算了DBR反射譜,對影響DBR反射譜的因素進行了詳細分析,并且模擬計算并分析了不同氧化孔徑的VCSELs器件的輸出光功率和微分電阻不同的原因;同時分析了氧化孔徑和電極尺寸對于VCSELs電流濃度分布的影響。2.通過光刻、選擇性氧化技術(shù)、濕法腐蝕技術(shù)和合金等技術(shù)制備普通表面無銀納米線薄膜VCSELs器件,同時對于Ag NWs薄膜的制備以及Ag NWs薄膜作為電流擴展層的VCSELs的制備進行了研制與研究。通過旋轉(zhuǎn)法在玻璃上制備了不同濃度的銀納米線薄膜。最終得到了透光率在95.3%時方阻在23.2Ω/sq和ITO相當(dāng)水平的銀納米線薄膜。并且使用旋轉(zhuǎn)涂覆法制備了有銀納米線薄膜作為電流擴展層的VCSELs。3.垂直腔面發(fā)射激光器特性分析。對表面有無鋪設(shè)銀納米線薄膜的VCSELs器件進行L-I-V曲線、光譜、近場和遠場發(fā)散角等進行測試。結(jié)果顯示相同的制備工藝條件下由于銀納米線高透光性以及低方阻的特點,當(dāng)將銀納米線旋涂到VCSELs表面的時候,注入電流的面積明顯得到了增大,從而可以使注入到有源區(qū)中的電流分布更加均勻,從而削弱了由于電流注入不均勻帶來的器件發(fā)光不均勻的問題。對比分析兩種器件的近場照片以及輸出光功率,可以明顯發(fā)現(xiàn)表面旋涂有銀納米線的VCSELs器件發(fā)光更加均勻,直流電流下測試最大輸出功率24.4m W比表面沒有旋涂銀納米線的VCSELs器件最大功率23.4m W增大4.3%,微分電阻由23.95Ω降為21.13Ω。同時通過器件光譜測量和遠場測試結(jié)果表明,當(dāng)VCSELs器件表面鋪設(shè)有銀納米線薄膜后,器件紅移速度由0.085nm/K下降為0.077nm/K,器件的發(fā)散角由21.6°下降為19.2°。這充分說明了銀納米線作為電流擴展層的有效性。展示了旋轉(zhuǎn)涂覆法制備銀納米線薄膜作為電流擴展層的巨大潛力。
【關(guān)鍵詞】：垂直腔面發(fā)射激光器 透明導(dǎo)電薄膜 銀納米線 電流擴展
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN248
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 緒論10-24
• 1.1 VCSELs概述10-15
• 1.1.1 VCSELs的概念10-12
• 1.1.2 VCSELs的優(yōu)勢12-14
• 1.1.3 VCSELs的研究方向及應(yīng)用14-15
• 1.2 電流均勻分布VCSELs的研究意義與研究現(xiàn)狀15-20
• 1.2.1 電流均勻分布VCSELs研究意義15-16
• 1.2.2 電流均勻分布VCSELs研究現(xiàn)狀16-20
• 1.3 銀納米線透明導(dǎo)電膜的發(fā)展與應(yīng)用20-21
• 1.4 本論文的研究工作21-24
• 第2章 VCSELs基本理論24-38
• 2.1 VCSELs基本結(jié)構(gòu)和工作原理24-27
• 2.1.1 VCSELs基本結(jié)構(gòu)24-26
• 2.1.2 VCSELs工作原理26-27
• 2.2 VCSELs反射鏡27-30
• 2.2.1 DBR的工作原理28-30
• 2.2.2 周期對數(shù)對DBR的影響30
• 2.3 VCSELs特性參數(shù)30-33
• 2.4 VCSELs中載流子濃度分布特性33-36
• 2.5 本章小結(jié)36-38
• 第3章 電流均勻分布VCSELs器件制備38-50
• 3.1 工藝流程39-41
• 3.2 器件制備關(guān)鍵工藝41-45
• 3.2.1 濕法腐蝕41-43
• 3.2.2 濕氮氧化43-45
• 3.3 銀納米線結(jié)構(gòu)及其特性45-48
• 3.3.1 銀納米線結(jié)構(gòu)45-46
• 3.3.2 銀納米線特性46-47
• 3.3.3 旋涂方法鋪設(shè)銀納米線47-48
• 3.4 本章小結(jié)48-50
• 第4章 測試結(jié)果與分析50-60
• 4.1 不同氧化孔徑器件P-I-V特性52-53
• 4.2 有無銀納米器件性能參數(shù)對比53-58
• 4.2.1 P-I-V特性對比53-55
• 4.2.2 串聯(lián)電阻分析55-56
• 4.2.3 器件光譜測試分析56-57
• 4.2.4 近場和遠場測試分析57-58
• 4.3 本章小結(jié)58-60
• 第5章 總結(jié)與展望60-62
• 參考文獻62-68
• 攻讀碩士期間發(fā)表的論文68-70
• 致謝70-71

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本文編號：1114424