AZO透明导电薄膜及其用于GaAs基VCSEL的研究

论文摘要

垂直腔面发射半导体激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL）是一种性能优良的新型光源。它能够实现芯片表面的激光发射,具有阈值电流小、易二维集成以及圆形对称光斑等优点,迅速成为了研究热点。也正是由于VCSEL器件本身所具有的优势,VCSEL的应用领域十分广泛。然而,在目前常规VCSEL的顶部电流扩展方面,金属电极虽拥有良好的电流扩展性能,却会对出射光有强烈的吸收,所以都是依靠顶部的重掺杂层来进行电流扩展。但是,这也存在着不容忽视的缺点,即顶部的重掺杂层不但电流扩展性能不好,还会吸收部分出射光,降低了器件的出光功率。因此,考虑用光电性能优良的透明导电氧化物（Transparent Conductive Oxide,TCO）薄膜来解决上述的电流扩展难题。基于上述研究背景,本论文针对垂直腔面发射激光器电流注入不均匀以及提高输出功率问题,设计了一种以氧化锌掺铝（AZO）薄膜作为透明电极的垂直腔面发射激光器。主要进行的研究工作如下:1对各种薄膜的制备技术进行了对比分析,最终选择了不仅生长温度低,而且具有均匀的厚度和精确的可控性以及良好的形状保持性等独特优势的原子层沉积（ALD）技术。并设计了AZO透明导电薄膜的制备工艺参数,包括循环比Zn:Al的值、沉积温度以及厚度等。然后采用ALD技术分别在砷化镓（GaAs）衬底和玻璃衬底上制备AZO薄膜,并采用相关测试手段研究其电学和光学特性。2首先,对AZO薄膜进行了反射率测试,结果表明在850nm波长处,AZO薄膜的反射率基本处于最低,符合设计预期。然后,对AZO薄膜进行了腐蚀实验,结果表明氨水:去离子水=1:10配比的腐蚀液,腐蚀速率较慢,可以控制,适合用于对AZO透明导电薄膜的腐蚀过程。进而采用RTP快速退火炉对AZO透明导电薄膜进行了退火实验,研究了退火温度对薄膜性能的影响。测试结果发现AZO薄膜（GaAs衬底）的均方根粗糙度（Rq）随退火温度增加逐渐变小,Rq的值从未退火前的3.56nm减小到2.22nm（500℃下退火）;AZO薄膜的电阻率随温度的增加先增大后减小;AZO薄膜与金属的接触特性实验表明,在420℃温度条件下退火其接触特性最好;在850nm波长处,退火后AZO薄膜的透过率稍微有所下降,但是仍具有约90%的高透过率。以上测试结果对AZO薄膜能够作为透明电极引入到GaAs基VCSEL器件中以提高VCSEL的性能具有重要意义。3对AZO透明电极VCSEL器件进行了仿真计算,模拟了将AZO透明导电薄膜引入到VCSEL器件后的电流分布情况以及电流电压特性,结果表明将AZO透明导电薄膜引入到VCSEL器件后,其电流注入情况比常规VCSEL器件要均匀很多,在同一电流注入情况下,AZO透明电极VCSEL的工作电压比常规VCSEL器件的要低。同时设计了具有AZO透明导电薄膜的VCSEL器件工艺制备流程,成功制备了两组850nm垂直腔面发射半导体激光器器件,具有AZO透明电极的VCSEL器件和无AZO透明电极的VCSEL器件。两种VCSEL器件的测试结果表明在9mA注入电流下,常规VCSEL和AZO-VCSEL器件的出光功率分别为2.01mW和2.57mW;在4mA注入电流下,常规VCSEL和AZO-VCSEL器件的工作电压分别为3.93V和3.53V,即引入了AZO透明电极的VCSEL器件具有更高的输出功率和较低的接触电阻,与仿真计算结果相一致。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 垂直腔面发射激光器基本介绍
•     1.1.1 垂直腔面发射激光器结构
•     1.1.2 垂直腔面发射激光器优势及研究意义
•   1.2 垂直腔面发射激光器研究现状
•     1.2.1 商用垂直腔面发射激光器现状
•     1.2.2 研究领域垂直腔面发射激光器现状
•     1.2.3 透明导电薄膜应用于垂直腔面发射激光器研究现状
•   1.3 本论文研究内容
• 第2章 AZO透明导电薄膜制备与表征方法
•   2.1 薄膜制备技术
•   2.2 AZO生长技术-ALD
•   2.3 AZO薄膜表征
•     2.3.1 椭偏仪
•     2.3.2 原子力显微镜（AFM）
•     2.3.3 分光光度计
•     2.3.4 霍尔（Hall）测试仪
•   2.4 AZO薄膜设计
•     2.4.1 ALD技术沉积参数设计
•     2.4.2 AZO薄膜厚度设计
•   2.5 本章小结
• 第3章 AZO薄膜性能研究
•   3.1 AZO薄膜反射率测试
•   3.2 AZO薄膜腐蚀
•   3.3 退火对AZO薄膜的影响
•     3.3.1 退火温度对AZO薄膜表面形貌的影响
•     3.3.2 退火温度对AZO薄膜电学性能的影响
•     3.3.3 退火温度对AZO薄膜透过率的影响
•     3.3.4 退火温度对AZO薄膜吸收系数的影响
•   3.4 本章小结
• 第4章 AZO透明电极VCSEL制备与测试
•   4.1 AZO-VCSEL器件仿真
•   4.2 工艺方案
•   4.3 测试结果与分析
•   4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王阳

导师: 崔碧峰

关键词: 垂直腔面发射半导体激光器,薄膜,原子层沉积

来源: 北京工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 北京工业大学

分类号: TN248.4

DOI: 10.26935/d.cnki.gbjgu.2019.000530

总页数: 64

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