银纳米线薄膜作为垂直腔面发射激光器电流扩展层的研究

发布时间：2017-10-29 20:01

  本文关键词：银纳米线薄膜作为垂直腔面发射激光器电流扩展层的研究

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【摘要】：垂直腔面发射半导体激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,简称为VCSELs)具有低阈值工作电流、高度稳定的动态单纵模工作、圆形对称的发散角小的光束、高频率的调制带宽、易于单片二维集成以及低制作成本等优势,从而迅速在光纤通讯、光子计算、光学存贮、光学显示、激光打印等领域得到了巨大应用,并得到了研究者广泛青睐。然而,对于垂直腔面发射半导体激光器而言由于其有源区厚度很薄,单程可获得的光增益很小,很难在低工作电流情况下,获得大的输出光功率,为此需要增大其出光孔径和有源区面积。但是对于普通环形电极结构VCSELs来说,由于载流子在有源区中的聚集效应使注入的工作电流只是通过有源区边缘环形区域一个很窄的通道,在有源区中的载流子密度分布不均匀,直观表现为其激射光斑呈现明显环状以及环中间光强很弱的现象,尤其当器件尺寸较大时,这种现象会更加明显。本文从改善器件注入电流不均匀、减少器件等效热阻、简化制作工艺、增大器件输出光功率出发,设计的一种以银纳米线薄膜作为电流扩展层的垂直腔面发射半导体激光器。通过将银纳米线薄膜均匀旋涂于普通环形电极结构VCSELs的表面,在现有理论和实验条件下设计并成功制备出了发光更加均匀的VCSELs激光器件。对比并分析旋涂有银纳米线薄膜的VCSELs器件和没有银纳米薄膜的VCSELs器件有源区中电流密度分布对于器件发光质量的影响。分析结果表明,旋涂有银纳米线薄膜作为电流扩展层的垂直腔面发射半导体激光器比没有银纳米线薄膜的垂直腔面发射半导体激光器更加有利于载流子的均匀分布,有效避免了激光器环形电极注入引起的载流子的聚集效应,并且使传统环形电极结构中几乎不发光的中央区域得到了充分利用,同时有效增大了器件的发光面积。种种结果表明,在VCSELs表面铺设有银纳米线薄膜可以在一定程度上提高器件的出光质量。本文主要工作内容概括如下:1.模拟计算了DBR反射谱,对影响DBR反射谱的因素进行了详细分析,并且模拟计算并分析了不同氧化孔径的VCSELs器件的输出光功率和微分电阻不同的原因;同时分析了氧化孔径和电极尺寸对于VCSELs电流浓度分布的影响。2.通过光刻、选择性氧化技术、湿法腐蚀技术和合金等技术制备普通表面无银纳米线薄膜VCSELs器件,同时对于Ag NWs薄膜的制备以及Ag NWs薄膜作为电流扩展层的VCSELs的制备进行了研制与研究。通过旋转法在玻璃上制备了不同浓度的银纳米线薄膜。最终得到了透光率在95.3%时方阻在23.2Ω/sq和ITO相当水平的银纳米线薄膜。并且使用旋转涂覆法制备了有银纳米线薄膜作为电流扩展层的VCSELs。3.垂直腔面发射激光器特性分析。对表面有无铺设银纳米线薄膜的VCSELs器件进行L-I-V曲线、光谱、近场和远场发散角等进行测试。结果显示相同的制备工艺条件下由于银纳米线高透光性以及低方阻的特点,当将银纳米线旋涂到VCSELs表面的时候,注入电流的面积明显得到了增大,从而可以使注入到有源区中的电流分布更加均匀,从而削弱了由于电流注入不均匀带来的器件发光不均匀的问题。对比分析两种器件的近场照片以及输出光功率,可以明显发现表面旋涂有银纳米线的VCSELs器件发光更加均匀,直流电流下测试最大输出功率24.4m W比表面没有旋涂银纳米线的VCSELs器件最大功率23.4m W增大4.3%,微分电阻由23.95Ω降为21.13Ω。同时通过器件光谱测量和远场测试结果表明,当VCSELs器件表面铺设有银纳米线薄膜后,器件红移速度由0.085nm/K下降为0.077nm/K,器件的发散角由21.6°下降为19.2°。这充分说明了银纳米线作为电流扩展层的有效性。展示了旋转涂覆法制备银纳米线薄膜作为电流扩展层的巨大潜力。
【关键词】：垂直腔面发射激光器 透明导电薄膜 银纳米线 电流扩展
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN248
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-24
• 1.1 VCSELs概述10-15
• 1.1.1 VCSELs的概念10-12
• 1.1.2 VCSELs的优势12-14
• 1.1.3 VCSELs的研究方向及应用14-15
• 1.2 电流均匀分布VCSELs的研究意义与研究现状15-20
• 1.2.1 电流均匀分布VCSELs研究意义15-16
• 1.2.2 电流均匀分布VCSELs研究现状16-20
• 1.3 银纳米线透明导电膜的发展与应用20-21
• 1.4 本论文的研究工作21-24
• 第2章 VCSELs基本理论24-38
• 2.1 VCSELs基本结构和工作原理24-27
• 2.1.1 VCSELs基本结构24-26
• 2.1.2 VCSELs工作原理26-27
• 2.2 VCSELs反射镜27-30
• 2.2.1 DBR的工作原理28-30
• 2.2.2 周期对数对DBR的影响30
• 2.3 VCSELs特性参数30-33
• 2.4 VCSELs中载流子浓度分布特性33-36
• 2.5 本章小结36-38
• 第3章 电流均匀分布VCSELs器件制备38-50
• 3.1 工艺流程39-41
• 3.2 器件制备关键工艺41-45
• 3.2.1 湿法腐蚀41-43
• 3.2.2 湿氮氧化43-45
• 3.3 银纳米线结构及其特性45-48
• 3.3.1 银纳米线结构45-46
• 3.3.2 银纳米线特性46-47
• 3.3.3 旋涂方法铺设银纳米线47-48
• 3.4 本章小结48-50
• 第4章 测试结果与分析50-60
• 4.1 不同氧化孔径器件P-I-V特性52-53
• 4.2 有无银纳米器件性能参数对比53-58
• 4.2.1 P-I-V特性对比53-55
• 4.2.2 串联电阻分析55-56
• 4.2.3 器件光谱测试分析56-57
• 4.2.4 近场和远场测试分析57-58
• 4.3 本章小结58-60
• 第5章 总结与展望60-62
• 参考文献62-68
• 攻读硕士期间发表的论文68-70
• 致谢70-71

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本文编号：1114424