【摘要】：垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)是一種性能優(yōu)良的新型光源。它能夠?qū)崿F(xiàn)芯片表面的激光發(fā)射,具有閾值電流小、易二維集成以及圓形對(duì)稱(chēng)光斑等優(yōu)點(diǎn),迅速成為了研究熱點(diǎn)。也正是由于VCSEL器件本身所具有的優(yōu)勢(shì),VCSEL的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。然而,在目前常規(guī)VCSEL的頂部電流擴(kuò)展方面,金屬電極雖擁有良好的電流擴(kuò)展性能,卻會(huì)對(duì)出射光有強(qiáng)烈的吸收,所以都是依靠頂部的重?fù)诫s層來(lái)進(jìn)行電流擴(kuò)展。但是,這也存在著不容忽視的缺點(diǎn),即頂部的重?fù)诫s層不但電流擴(kuò)展性能不好,還會(huì)吸收部分出射光,降低了器件的出光功率。因此,考慮用光電性能優(yōu)良的透明導(dǎo)電氧化物(Transparent Conductive Oxide,TCO)薄膜來(lái)解決上述的電流擴(kuò)展難題�；谏鲜鲅芯勘尘�,本論文針對(duì)垂直腔面發(fā)射激光器電流注入不均勻以及提高輸出功率問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種以氧化鋅摻鋁(AZO)薄膜作為透明電極的垂直腔面發(fā)射激光器。主要進(jìn)行的研究工作如下:1對(duì)各種薄膜的制備技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析,最終選擇了不僅生長(zhǎng)溫度低,而且具有均勻的厚度和精確的可控性以及良好的形狀保持性等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的原子層沉積(ALD)技術(shù)。并設(shè)計(jì)了AZO透明導(dǎo)電薄膜的制備工藝參數(shù),包括循環(huán)比Zn:Al的值、沉積溫度以及厚度等。然后采用ALD技術(shù)分別在砷化鎵(GaAs)襯底和玻璃襯底上制備AZO薄膜,并采用相關(guān)測(cè)試手段研究其電學(xué)和光學(xué)特性。2首先,對(duì)AZO薄膜進(jìn)行了反射率測(cè)試,結(jié)果表明在850nm波長(zhǎng)處,AZO薄膜的反射率基本處于最低,符合設(shè)計(jì)預(yù)期。然后,對(duì)AZO薄膜進(jìn)行了腐蝕實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明氨水:去離子水=1:10配比的腐蝕液,腐蝕速率較慢,可以控制,適合用于對(duì)AZO透明導(dǎo)電薄膜的腐蝕過(guò)程。進(jìn)而采用RTP快速退火爐對(duì)AZO透明導(dǎo)電薄膜進(jìn)行了退火實(shí)驗(yàn),研究了退火溫度對(duì)薄膜性能的影響。測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)AZO薄膜(GaAs襯底)的均方根粗糙度(Rq)隨退火溫度增加逐漸變小,Rq的值從未退火前的3.56nm減小到2.22nm(500℃下退火);AZO薄膜的電阻率隨溫度的增加先增大后減小;AZO薄膜與金屬的接觸特性實(shí)驗(yàn)表明,在420℃溫度條件下退火其接觸特性最好;在850nm波長(zhǎng)處,退火后AZO薄膜的透過(guò)率稍微有所下降,但是仍具有約90%的高透過(guò)率。以上測(cè)試結(jié)果對(duì)AZO薄膜能夠作為透明電極引入到GaAs基VCSEL器件中以提高VCSEL的性能具有重要意義。3對(duì)AZO透明電極VCSEL器件進(jìn)行了仿真計(jì)算,模擬了將AZO透明導(dǎo)電薄膜引入到VCSEL器件后的電流分布情況以及電流電壓特性,結(jié)果表明將AZO透明導(dǎo)電薄膜引入到VCSEL器件后,其電流注入情況比常規(guī)VCSEL器件要均勻很多,在同一電流注入情況下,AZO透明電極VCSEL的工作電壓比常規(guī)VCSEL器件的要低。同時(shí)設(shè)計(jì)了具有AZO透明導(dǎo)電薄膜的VCSEL器件工藝制備流程,成功制備了兩組850nm垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器器件,具有AZO透明電極的VCSEL器件和無(wú)AZO透明電極的VCSEL器件。兩種VCSEL器件的測(cè)試結(jié)果表明在9mA注入電流下,常規(guī)VCSEL和AZO-VCSEL器件的出光功率分別為2.01mW和2.57mW;在4mA注入電流下,常規(guī)VCSEL和AZO-VCSEL器件的工作電壓分別為3.93V和3.53V,即引入了AZO透明電極的VCSEL器件具有更高的輸出功率和較低的接觸電阻,與仿真計(jì)算結(jié)果相一致。
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TN248.4
【圖文】：

1.1.1 垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)VCSEL的結(jié)構(gòu)圖如圖1-1所示。由于VCSEL的腔長(zhǎng)很小，會(huì)導(dǎo)致光在諧振腔中得到的增益很小，因而必須引入高反射率的反射鏡，以加強(qiáng)光反饋。同時(shí)，還采用具有高材料增益系數(shù)的半導(dǎo)體作為有源區(qū)。VCSEL的DBR反射器是高折射率材料與低折射率材料交替形成的多層結(jié)構(gòu)[7]。在有源區(qū)的上下分別生長(zhǎng)了一層AlGaAs，再通過(guò)對(duì)AlGaAs層適當(dāng)區(qū)域選擇氧化層絕緣的AlxOy材料（其折射率也比AlGaAs低），以形成好的電流和光波通道，從而形成一個(gè)頂端發(fā)射的VCSEL。圖 1-1 頂端發(fā)射的 VCSEL 結(jié)構(gòu)圖Fig. 1-1 Schematic diagram of the top launch VCSEL

2.3 AZO 薄膜表征采用 ALD 技術(shù)將 AZO 透明導(dǎo)電薄膜生長(zhǎng)完成以后，需要對(duì)其進(jìn)行性能的表征與相關(guān)特性研究，接下來(lái)將對(duì) AZO 薄膜的測(cè)試手段進(jìn)行介紹。2.3.1 橢偏儀橢偏儀所需的組件包括把非偏振光轉(zhuǎn)化為線性偏振光的光學(xué)系統(tǒng)、把線性偏振光轉(zhuǎn)化為橢圓偏振光的光學(xué)系統(tǒng)、樣品反射、測(cè)量反射光偏振特性的光學(xué)系統(tǒng)、測(cè)量光強(qiáng)度的探測(cè)器以及根據(jù)假設(shè)模型計(jì)算結(jié)果的計(jì)算機(jī)。橢偏儀廣泛用于測(cè)量薄膜的厚度和光學(xué)性質(zhì)，可測(cè)量單層以及多層薄膜，所測(cè)量薄膜的厚度從十幾埃到數(shù)千埃不等，成為薄膜生長(zhǎng)工藝監(jiān)控的重要手段[54]。本實(shí)驗(yàn)通過(guò) VB-400 橢偏儀對(duì) GaAs 襯底片上 AZO 薄膜的厚度、折射率、反射率以及吸收系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。VB-400 橢偏儀如圖 2-1 所示。

接觸模式、非接觸模式和敲擊模式三類(lèi)[54]�，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)水平的不斷發(fā)展，AFM 技術(shù)也逐漸的發(fā)展起來(lái)。，比如較高的空間分辨能力、測(cè)量樣品時(shí)其表面不必要進(jìn)行特各種樣品和材料在液體和大氣環(huán)境下的探測(cè)等。正是由于 A優(yōu)勢(shì)，它已被廣泛用于表面微結(jié)構(gòu)和薄膜的分析。光光度計(jì)可見(jiàn)光譜(Ultraviolet-visible transmission spectroscopy，UV-VIS性進(jìn)行表征的重要方式之一。本實(shí)驗(yàn)室采用是日立 U-4100 型計(jì)，如圖 2-2 所示，可實(shí)現(xiàn)的精度足以令“著名日立光度計(jì)品品線中最高端的。對(duì)于像光學(xué)樣品、新材料和半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)領(lǐng)域檢測(cè)方面需要高質(zhì)量數(shù)據(jù)的用戶而言，該產(chǎn)品是最佳的選擇足各種尺寸和各種波長(zhǎng)待測(cè)樣品的檢測(cè)需求，并且不同的分析各種特殊的附件來(lái)滿足。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2783667