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《吉林大学》 2014年
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湿法氧化于垂直腔面发射激光器应用

张玉国  
【摘要】:垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL,vertical cavity surface emitting laser)作为一种结构紧凑,性能优良的新型光源。与传统的边发射激光器(EELs)相比,垂直腔面发射激光器具有如下优点:有源区体积小,具有很小的阈值电流;圆形对称光斑;发散角小,容易与光纤高度耦合,有利于进行光束整形;出光窗口面积大,不易发生光学灾变损伤;谐振腔腔长短,极易实现动态单纵模工作;可以二维集成,制作高功率二维面阵;焊接封装容易,适合大批量生产。目前,有源区尺寸小于20μm,发光功率小于400mW的小功率激光器已经商品化。以其出射光垂直于衬底、具有圆形对称光束、易形成二维集成等优点。在光纤通信、光互连、光存储等许多光电子技术新领域发挥越来越重要的作用。与此同时,近年来大功率半导体激光器在光纤激光器泵浦、美容医学、材料加工等领域的巨大应用市场,极大地推动了大功率VCSEL器件的研究和发展。随着光电外延材料和器件工艺技术的不断发展,输出功率达到瓦级及以上的大功率垂直腔面发射激光器也开始成为世界范围内研究的热点。同时,市场不仅要求激光器的高功率输出外,也开始对激光器的光束质量提出更高的要求。即激光功率密度不但要提高,也必须满足与光纤的高度耦合和高功率光纤激光泵浦的要求。 基于上述研究背景,本论文针对垂直腔面发射激光器制备工艺中选择湿法氧化工艺改进,进而获取大功率输出激光及提高光束质量为出发点,并对激光器件的材料特性、制备工艺及激光器件特性分析等进行了深入系统的研究工作: 湿法氧化工艺已经成为制备垂直腔面发射激光器及其阵列的关键技术,为提高器件的散热性能,对单元器件采用环形分布的氧化窗口,优化设计了分布孔的数目及间距。同时从瞬态热传导方程对构成激光器阵列单元器件的热相互作用进行了理论分析。 湿法氧化法是指在VCSEL有源层和上下分布式布拉格反射镜(DBR)层之间插入含有高铝组分的ALGaAs氧化层,利用水蒸汽从侧向氧化生成氧化铝,形成高阻值限制区,用来进行电限制和光限制,可以使VCSEL极低阙值实现连续发射。 制备VCSEL的工艺,大约有3种:简单的湿法蚀刻,离子注入法,湿法氧化法。目前湿法氧化法是国内外研究机构制备垂直腔面发射激光器及其阵列的常用工艺。 实现湿法氧化工艺,并在实际生产中安全使用,设计一款湿法氧化工艺设备是必要的,首先是水蒸气的来源,初期其来源为离子水蒸汽发生器,其独立设备不便于安装和使用,且需要根据湿法氧化工艺设备不同,其选型也是一个问题,目前最新方法是氢氧合成水蒸气方法,根据湿法氧化工艺设备不同,其蒸汽量是由气体的质量流量控制器控制,为实现湿法氧化工艺设备一体化提供条件。在新型大功率VCSEL的制备过程中,湿法选择性氧化是最为关键的步骤之一。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TN248

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