AZO透明导电薄膜及其用于GaAs基VCSEL的研究

发布时间：2020-08-07 07:15

【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。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN248.4
【图文】：

结构图,顶端,结构图,有源区

1.1.1 垂直腔面发射激光器结构VCSEL的结构图如图1-1所示。由于VCSEL的腔长很小，会导致光在谐振腔中得到的增益很小，因而必须引入高反射率的反射镜，以加强光反馈。同时，还采用具有高材料增益系数的半导体作为有源区。VCSEL的DBR反射器是高折射率材料与低折射率材料交替形成的多层结构[7]。在有源区的上下分别生长了一层AlGaAs，再通过对AlGaAs层适当区域选择氧化层绝缘的AlxOy材料（其折射率也比AlGaAs低），以形成好的电流和光波通道，从而形成一个顶端发射的VCSEL。图 1-1 顶端发射的 VCSEL 结构图Fig. 1-1 Schematic diagram of the top launch VCSEL

椭偏仪

2.3 AZO 薄膜表征采用 ALD 技术将 AZO 透明导电薄膜生长完成以后，需要对其进行性能的表征与相关特性研究，接下来将对 AZO 薄膜的测试手段进行介绍。2.3.1 椭偏仪椭偏仪所需的组件包括把非偏振光转化为线性偏振光的光学系统、把线性偏振光转化为椭圆偏振光的光学系统、样品反射、测量反射光偏振特性的光学系统、测量光强度的探测器以及根据假设模型计算结果的计算机。椭偏仪广泛用于测量薄膜的厚度和光学性质，可测量单层以及多层薄膜，所测量薄膜的厚度从十几埃到数千埃不等，成为薄膜生长工艺监控的重要手段[54]。本实验通过 VB-400 椭偏仪对 GaAs 衬底片上 AZO 薄膜的厚度、折射率、反射率以及吸收系数等参数进行测试。VB-400 椭偏仪如图 2-1 所示。

紫外可见分光光度计

接触模式、非接触模式和敲击模式三类[54]。现代计算机水平的不断发展，AFM 技术也逐渐的发展起来。，比如较高的空间分辨能力、测量样品时其表面不必要进行特各种样品和材料在液体和大气环境下的探测等。正是由于 A优势，它已被广泛用于表面微结构和薄膜的分析。光光度计可见光谱(Ultraviolet-visible transmission spectroscopy，UV-VIS性进行表征的重要方式之一。本实验室采用是日立 U-4100 型计，如图 2-2 所示，可实现的精度足以令“著名日立光度计品品线中最高端的。对于像光学样品、新材料和半导体开发领域检测方面需要高质量数据的用户而言，该产品是最佳的选择足各种尺寸和各种波长待测样品的检测需求，并且不同的分析各种特殊的附件来满足。

【参考文献】