高速850 nm垂直腔面發射激光器的優化設計與外延生長

周廣正 堯舜 于洪巖 呂朝晨 王青 周天寶 李穎蘭天 夏宇 郎陸廣 程立文 董國亮 康聯鴻 王智勇

1)(北京工業大學激光工程研究院,北京 100124)

2)(華芯半導體科技有限公司,泰州 225599)

3)(揚州大學物理科學與技術學院,揚州 225002)

1 引 言

垂直腔面發射激光器(vertical cavity surface emitting laser,VCSEL)具有高調制速率、低閾值電流、圓形光斑易與光纖耦合、高溫穩定、易于集成等優勢,廣泛應用于短距離數據通信和并行高速光纖通信.在中短距離通信中激射波長為850 nm等中短波段激光的氧化限制性VCSEL得到廣泛應用.VCSEL集合了眾多優點,相應的外延質量比發光二極管(light emitting diode,LED)的要求更高,層數比激光二極管(laser diode,LD)更多(200層以上),使得VCSEL的外延生長和表征比較困難.

VCSEL外延結構主要由上下分布布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector,DBR)、多量子阱(multiquantum well,MQW)有源區和氧化限制層等組成.DBR的反射率直接影響VCSEL的閾值電流、輸出功率和調制特性,一般采用傳輸矩陣法分析DBR反射率譜特性[1?4],文獻[1]考慮到材料折射率隨波長變化及不同吸收系數對DBR反射率譜模擬結果的影響,本文加入材料的消光系數隨波長條件,模擬了DBR反射率譜;對于上DBR而言,文獻[2]考慮到光源是在量子阱有源區,模擬了從諧振腔入射時DBR的反射率譜特性,而白光反射譜無損檢測是白光光源從外延片表面入射.本文分析了兩種情況下反射率譜的差異,如圖1所示,H為高折射率層,L為低折射率層,R0為從襯底入射時的反射率,R0為從表面入射時的反射率.VCSEL整體結構反射率譜會在高反射帶內形成腔模[5],一般認為腔模附近需要形成高反射帶,才能使得反射率足夠高,只有腔模波長的光才能激射,達到單縱模高功率輸出條件.文獻[6,7]討論了GaAs cap層厚度對鏡面損耗和光子壽命的影響,考慮到從諧振腔和表面入射時DBR反射率譜特性差異,本文分析了在不同cap層情況下DBR和VCSEL整體結構的白光反射譜特性,為DBR和VCSEL外延片的白光反射譜的表征提供了依據.

圖1 DBR結構示意圖Fig.1.Schematic of DBR.

850nm波長的VCSEL有源區一般為GaAs/AlGaAs量子阱或InGaAs/AlGaAs量子阱.與GaAs/AlGaAs量子阱相比,InGaAs/AlGaAs應變量子阱具有更高的光增益[8].由于VCSEL器件很小,有源區產生的熱量需經過N型DBR和襯底導入熱沉,工作時器件內部有源區溫度要高于環境溫度,而量子阱增益譜隨溫度變化較大,需要設計量子阱增益譜峰值波長和VCSEL整體結構法布里-珀羅(Fabry-Perot,F-P)腔模波長,才能使得器件有高輸出功率.采用Crosslight軟件模擬了InGaAs/AlGaAs量子阱增益譜隨溫度變化的特性以及器件內部溫度分布情況,設計了室溫下量子阱增益譜峰值波長為829 nm,F-P腔模為847 nm的VCSEL器件.并采用金屬有機物化學氣相淀積(metal organic chemical vapor deposition,MOCVD)生長了MQW以及VCSEL整體結構.

近些年來,國內外相關學者對如何提高VCSEL調制速率及能量效率進行了較深入的研究,Westbergh等[7]采用InGaAs量子阱及多氧化層結構,通過淺表面刻蝕降低了上DBR反射率,進而減小光子壽命,通過優化光子壽命得到23 GHz調制帶寬和40 Gbit/s無差錯數據傳輸;Kuchta等[9]通過采用帶有2-軸頭前饋均衡器的130 nm雙極互補金屬氧化物半導體(bipolar complementary metal oxide semiconductor,BiCMOS)驅動集成電路和130 nm BiCMOS接受集成電路,非歸零調制下無差錯傳輸速率達71 Gbit/s.香農定律指出信道的最大傳輸速率除了與信道帶寬成正比,還與信噪比有關.把VCSEL也等效成信道的一部分,通過減小閾值電流、減小寄生效應等方法可以增大3 dB帶寬[6],提高信噪比的有效方法是增大器件的輸出功率[10],本文通過反射率譜的精確表征、增益-腔模失配設計和采用半絕緣襯底等方法,制作出高斜效率、高調制速率的VCSEL器件.

2 結構與理論分析

2.1 VCSEL結構

850 nm VCSEL結構示意圖見圖2,采用非摻雜襯底是為了減小寄生效應,提高調制速率;外延層包括N型GaAs歐姆接觸層,28對Al0.12Ga0.88-As/AlAs加3對Al0.12Ga0.88As/Al0.9Ga0.1As材料的N型DBR,摻雜濃度2×1018cm?3,5周期InGa-As/AlGaAs材料的有源區量子阱,兩個Al0.6-Ga0.4As限制層,厚度30 nm的Al0.98Ga0.02As氧化層,22對Al0.12Ga0.88As/Al0.9Ga0.1As材料的P型DBR,摻雜濃度3×1018cm?3,為了減小異質結勢壘對串聯電阻的影響,DBR中材料界面處采用組分漸變形式生長,最后生長了P型GaAs歐姆接觸層,摻雜濃度1×1020cm?3;后續芯片工藝形成的兩個臺面,氧化孔徑和金屬電極等.

圖2 850 nm VCSEL結構示意圖Fig.2.Schematic of 850 nm VCSEL.

2.2 DBR反射率譜模擬與分析

由于諧振腔腔長較短,諧振腔上下采用DBR結構提高反射率,減小腔鏡損耗,進而達到激射條件.通過傳輸矩陣的方法來研究VCSEL的光學特性[10],如圖3所示,公式為

其中,

式中分別為入射面電場傳播正向分量和反向分量;為出射面電場傳播正向分量和反向分量;Ti為距出射面第i層的傳輸矩陣;r為反射系數;t為透射系數;?=2π(ni?jki)di為相位變化及材料吸收,ni和ki分別為第i層材料的折射率和消光系數,di為第i層材料厚度.GaAs材料折射率和消光系數(載流子濃度p=2.4×1018cm?3)隨波長的變化如圖4所示[11,12].

圖3 傳輸矩陣法表示的級聯特性Fig.3.Cascaded scattering junctions characterized by transmission matrices.

圖4 GaAs材料折射率和消光系數隨波長的變化Fig.4.Refractive index and extinction coefficient of GaAs varying with wavelength.

上DBR一般包含高摻雜(p+)GaAs cap層[6],形成相位補償層,用于調節光子壽命,同時高摻雜可以減小歐姆接觸.本文分析了三種不同cap層的DBR和VCSEL:1)DBR和VCSEL無cap層,分別記作DBR1和VCSEL1;2)cap包含光學厚度為1/4λ的GaAs外延層,分別記作DBR2和VCSEL2;3)cap層包含光學厚度為1/4λ的GaAs外延層和厚度為120 nm的SiO2層,分別記作DBR3和和VCSEL3.SiO2是芯片工藝完成后利用等離子體增強化學氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)方法進行沉積,起到保護作用.圖5(a)為三種cap層DBR從表面入射時的反射率譜,可以明顯看出高反射帶處的不同,DBR1高反射帶平整,DBR2中間有凹陷,DBR3高反射帶左側低右側高;圖5(b)為入射波長為850 nm時DBR的駐波場分布,為了便于對比,出射端場強按比例設成相同值,可以看出為了得到相同的輸出端光強,需要的入射端光強有所不同,其中DBR1入射端的強度最大,DBR3次之,DBR2最小,與圖5(a)中850 nm處的反射率相對應.圖6為三種cap層DBR從諧振腔入射時的反射率譜,高反射帶都比較平整,只是反射率有1%—2%的差異,850 nm處的反射率依次為99.7%,97.8%和98.7%.

圖5 (a)DBR從表面入射的反射率譜;(b)入射波長850 nm時DBR的駐波場分布Fig.5.(a)Reflectance spectrum of DBR as seen from the surface;(b)standing wave pattern in DBR with the incident wavelength of 850 nm.

圖6 DBR從諧振腔入射的反射率譜Fig.6.Reflectance spectrum of DBR as seen from the cavity.

圖7為三種cap層VCSEL從表面入射時的反射率譜,不考慮腔模時的形狀與DBR從表面入射時類似,腔模凹陷深度VCSEL1最淺,VCSEL3次之,VCSEL2最深.由圖5和圖6可知,對于不同cap層結構的DBR和VCSEL,從表面入射的反射率相差較大,而從諧振腔入射的反射率相差只有1%—2%.DBR和VCSEL用白光反射譜表征時需要根據反射率譜形狀和外延結構,結合模擬結果推測從諧振腔入射時的反射率.反之,也可以通過反射率譜形狀和模擬結果推測實際外延結構,用來評估實際結構與設計結構的偏差.

圖7 VCSEL從表面入射的反射率譜Fig.7.Reflectance spectrum of VCSEL as seen from the surface.

2.3 量子阱增益模擬與波長設計

對于F-P激光器激射波長需要滿足光柱波條件,其他波長的光不能形成光駐波而不能激射,VCSEL激射波長與腔模相對應.由于VCSEL面積小,散熱性能較差,有源區溫度較高,量子阱增益譜峰值波長與腔模波長隨溫度升高紅移速率不一致[13?18],需要設計量子阱光致發光(PL)峰值波長與F-P腔模波長之間的差值,使得VCSEL能有較高的功率輸出.利用Pics3D軟件模擬了注入載流子濃度為5×1018cm?3時增益譜隨溫度的變化,如圖8所示,300 K條件下峰值增益達到5000 cm?1,增益譜峰值波長隨溫度的變化率為0.3 nm/K,而F-P腔模波長隨溫度的變化率僅為0.06 nm/K[14].利用Pics3D軟件模擬了6 mA電流條件下環境溫度為300 K時VCSEL的溫度特性,如圖9所示,量子阱有源區溫度達360—370 K,由于氧化孔徑邊界處電流較集中,所以溫度最高;經計算室溫下量子阱增益譜峰值波長應該設計在829—832 nm左右,腔模波長設計在845—847 nm.

圖8 增益譜隨溫度變化特性Fig.8.Gain spectrum varying with temperature.

圖9 VCSEL內部溫度分布模擬結果Fig.9.Simulation result of temperature distribution in VCSEL.

3 實驗結果與討論

3.1 VCSEL的外延生長與表征

實驗采用Veeco公司的K475i型MOCVD設備進行外延生長,生長溫度為650—700?C,III族源為三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)和三甲基銦(TMIn),V族源為砷烷(AsH3),n型摻雜源為乙硅烷(Si2H6),p型摻雜源為四溴化碳(CBr4).采用偏?110?2?的GaAs(100)半絕緣型襯底,參考圖2外延生長了VCSEL;并且單獨生長了DBR和量子阱結構來確認DBR白光反射譜和量子阱PL譜.

利用MOCVD外延生長了cap光學厚度為1/4λ的DBR得到DBR2,在此基礎上沉積120 nm SiO2得到DBR3,測完白光反射譜之后刻蝕掉SiO2和GaAs cap層得到DBR1,利用Nanometrics RPMblue測得三種結構DBR白光反射譜如圖10所示,測得的白光反射譜是強度值,圖中是歸一化結果.比較圖5(a)和圖10,三種結構反射率譜形狀的模擬結果與測試結果基本一致,驗證了模擬的正確性.從諧振腔入射的反射率譜需要根據白光反射譜和外延結構,結合模擬結果推測得到.采用RPMblue光致熒光光譜儀對量子阱進行測試,光源為532 nm激光器,室溫下測得量子阱PL光譜.通過優化量子阱生長溫度和通入的V族元素與III族元素摩爾量之比(V/III),得到光譜強度和半寬分別隨生長溫度和V/III的關系,如圖11(a)所示,綜合比較生長溫度為660?C,V/III為40時光譜的峰值強度較強且半寬最小.圖11(b)為優化生長條件后的量子阱PL光譜,峰值波長為827.5 nm,外延片波長標準差小于1 nm,與設計值基本一致;半高全寬為26.4 nm,長波長處弱峰波長約870 nm,與GaAs襯底禁帶寬度相對應.VCSEL白光反射譜如圖12所示,可以看出模擬結果與實驗結果一致性較好,同時也說明實際外延結構與設計的結構基本一致,F-P腔模波長847.7 nm,外延片波長標準差小于2.5 nm,與設計值基本一致.由圖10和圖12可以看出RPMblue測試存在一定的噪聲,若F-P腔模較淺,可能會被噪聲覆蓋,通過在VCSEL上加入1/4λ的GaAs cap層,使得腔模加深,從而很容易判斷腔模位置,避免了測試噪聲的影響.

圖10 不同結構DBR白光反射譜測試結果Fig.10. White light source optical reflection spectrums of DBRs with different structures.

圖11 (a)優化量子阱生長條件實驗數據;(b)優化生長條件后量子阱PL光譜Fig.11.(a)The experimental data of optimizing the growth conditions of MQW;(b)photoluminescence spectrum of MQW after optimizing the growth conditions.

圖12 VCSEL白光反射譜Fig.12.White light source optical spectrum of VCSEL.

3.2 VCSEL器件的制備與測試

VCSEL外延生長完成之后,對外延片進行光刻、刻蝕、濕法氧化、金屬濺射等,制備了氧化孔徑為7.5μm的氧化限制性VCSEL器件.測試了外延片的白光反射譜及器件的直流特性、光譜特性和眼圖.氧化層起到了電流限制和光場限制的作用,圖13(a)為紅外光源電荷耦合器(CCD)下氧化孔徑圖像,孔徑呈圓形,直徑7.5μm,圖13(b)為氧化后VCSEL截面的掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy,SEM)圖像,較淺的為Al0.90Ga0.10As氧化,較深的為Al0.98Ga0.02As氧化.

圖13 (a)紅外光源CCD下氧化孔徑;(b)VCSEL截面的SEM圖像Fig.13.(a)Oxidation aperture with the infrared light source CCD;(b)SEM images of VCSEL cross section.

器件完成之后沉積了一層120 nm SiO2保護層,VCSEL單管的光功率-電流-電壓(light powercurrent-voltage,LIV)曲線如圖14所示,閾值電流為0.8 mA,當電流為13.5 mA時最大輸出功率超過9 mW,6 mA時輸出功率達5 mW,與文獻[7]相比提高約25%,斜效率為0.96 W/A.室溫6 mA條件下的光譜如圖15所示,呈現出VCSEL多橫模特性[6,7],中心波長λc=852.3 nm,比設計值偏長,可能是外延片波長不均勻性導致,均方根(RMS)譜寬?λRMS=0.6 nm,滿足高速數據傳輸標準[19].

圖14 VCSEL的LIV曲線Fig.14.LIV curve of VCSEL.

圖15 6.0 mA測試條件下的光譜圖Fig.15.Optical spectrum biased at 6.0 mA.

香農定理描述了有限帶寬、有隨機噪聲信道的最大傳輸速率與信道帶寬、信噪比之間的關系:

Rmax為信道的最大傳輸速率,與調制方式無關;B為信道帶寬;SNR為信噪比.為了便于理論計算,一般用相對強度噪聲(relative intensity noise,RIN)來表示輸出功率的波動[10],相對噪聲譜密度峰值的表達式如下:

其中?f為測量儀器的濾波器帶寬,(?ν)ST為肖洛-湯斯線寬,γ為阻尼因子;(?ν)ST∝1/P0,γ∝P0,所以峰值正比于,通過提高輸出功率P0,可以有效減小RIN,提高SNR,從而提高VCSEL調制速率.二進制啟閉鍵控(onof fkeying,OOK)調制速率為25 Gbit/s的眼圖如圖16(a)所示,10%—90%下降時間為38.66 ps,上升時間為41.54 ps,SNR為5.6,均方根抖動為1.57 ps,圖16(b)給出了25 GBaud/s 4級脈沖幅度調制(4-level-pulse amplitude modulation,PAM-4)下的眼圖,調制速率達50 Gbit/s,眼圖較清晰,表明了VCSEL的高速調制性能[20?25].

圖16 (a)25 Gbit/s OOK調制下的光眼眼圖;(b)50 Gbit/s PAM-4調制下的光眼眼圖(16.67 ps/div)Fig.16.Optical eye diagram of(a)25 Gbit/s OOK signal and(b)50 Gbit/s PAM-4 signal(16.67 ps/div).

4 結 論

對比DBR從諧振腔入射和從表面入射時反射率譜的差異,可以看出cap層的變化對從表面入射時的反射率譜形狀影響較大,把從表面入射測得的反射率結合外延結構,推算出從諧振腔入射時的反射率,為DBR和VCSEL白光反射譜表征提供依據.通過模擬量子阱增益譜隨溫度變化及6 mA電流條件下器件內部的溫度特性,設計了室溫下量子阱增益譜峰值波長為829 nm,VCSEL整體結構F-P腔模為846 nm的VCSEL,采用MOCVD分別生長了量子阱和VCSEL整體結構,室溫下測得量子阱光致發光峰值波長為827.5 nm,VCSEL白光反射譜F-P腔模波長847.7 nm,與理論設計結果基本一致.芯片工藝制備了氧化孔徑為7.5μm的VCSEL器件,6 mA,2.5 V偏置條件下輸出功率達5 mW,斜效率為0.96 W/A,PAM-4調制下傳輸速率達50 Gbit/s.從減小寄生效應提高帶寬的角度,采用多氧化層和低介電常數的苯并環丁烯作為填充物質等方法,預計調制速率可以進一步提高.

感謝上海交通大學區域光纖通信網與新型光通信系統國家重點實驗室張文甲老師等提供眼圖測試數據.

[1]Saha A K,Islam S 2009Opt.Quant.Electron41 873

[2]Moser P 2015Ph.D.Dissertation(Berlin:Technische Universit?t Berlin)

[3]Li T,Ning Y Q,Hao E J,Cui J J,Zhang Y,Liu G Y,Qin L,Liu Y,Wang L J,Cui D F,Xu Z Y 2009Sci.China Ser F:Inform.Sci.52 1226

[4]Wang Y H,Bo B X 2013Chin.J.Lumin.34 184

[5]Blokhin S A,Bobrov M A,Maleev N A,Kuzmenkov A G,Sakharov A V,Blokhin A A,Moser P,Lott J A,Bimberg D,Usinov V M 2014Appl.Phys.Lett.105 061104

[6]Moser P,Lott J A,Bimberg D 2013IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron.19 1702212

[7]Westbergh P,Gustavsson J S,K?gel B,Haglund ?,Larsson A 2011IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron.17 1603

[8]Feng Y,Hao Y Q,Wang X T,Liu G J,Yan C L,Zhang J B,Li Z J,Li Y 2017Chin.Laser J.44 47(in Chinese)[馮源,郝永芹,王憲濤,劉國軍,晏長嶺,張家斌,李再金,李洋2017中國激光44 47]

[9]Kuchta D M,Rylyakov A V,Doany F E,Schow C L,Proesel J E,Baks C W,Westbergh P,Gustavsson J S,Larsson A 2015IEEE Photon.Technol.Lett.27 577

[10]Coldren L A,Corzine S W,Ma?anovi M L 2012Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits,Second Edition(New Jersey:John Wiley&Sons,Inc.)pp288–298

[11]Blakemore J S 1982J.Appl.Phys.53 123

[12]Casey H C,Sell D D,Wecht K W 1975J.Appl.Phys.46 250

[13]Zhang Y M,Zhong J C,Zhao Y J,Hao Y Q,Li L,Wang Y X,Su W 2005Chin.J.Semicond.5 1024(in Chinese)[張永明,鐘景昌,趙英杰,郝永芹,李林,王玉霞,蘇偉 2005半導體學報5 1024]

[14]Zhang X,Zhang Y,Zhang J W,Zhong C Y,Huang Y W,Ning Y Q,Gu S H,Wang L J 2016Acta Phys.Sin.65 134204(in Chinese)[張星,張奕,張建偉,鐘礎宇,黃佑文,寧永強,顧思洪,王立軍2016物理學報65 134204]

[15]Cui M,Han J,Deng J,Li J J,Xing Y H,Chen X,Zhu Q F 2015Semicond.Optoelectron.36 38(in Chinese)[崔明,韓軍,鄧軍,李建軍,邢艷輝,陳翔,朱啟發2015半導體光電36 38]

[16]Li L,Zhong J C,Zhang Y M,Zhao Y J,Wang Y,Liu W L,Hao Y Q,Su W,Yan C L 2005Atca Photon.Sin.3 343(in Chinese)[李林,鐘景昌,張永明,趙英杰,王勇,劉文莉,郝永琴,蘇偉,晏長嶺2005光子學報3 343]

[17]Zhang J W,Ning Y Q,Zhang X,Zeng Y G,Zhang J,Liu Y,Qin L,Wang L J 2013Chin.Laser J.40 6(in Chinese)[張建偉,寧永強,張星,曾玉剛,張建,劉云,秦莉,王立軍2013中國激光40 6]

[18]Chen M,Guo X,Guan B L,Deng J,Dong L M,Shen G D 2006Acta Phys.Sin.55 5842(in Chinese)[陳敏, 郭霞,關寶璐,鄧軍,董立閩,沈光地2006物理學報55 5842]

[19]IEEEP8023ba 40Gb/s and 100Gb/s Ethernet Task Force,http://www.ieee802org/3/ba/public/may08/index.htm.[2018130]

[20]Szczerba K,Lengyel T,Karlsson M,Andrekson P A,Larsson A 2016IEEE Photon.Technol.Lett.28 2519

[21]Wang J Y,Murty M V R,Wang C,Hui D,Harren A L,Chang H H,Feng Z W,Fanning T R,Sridhara A,Taslim S,Cai X L,Chu J,Giovane L 2017Proc.SPIE10122 1012202

[22]Li H,Wolf P,Jia X W,Lott J A,Bimberg D 2017Appl.Phys.Lett.111 243508

[23]Larisch G,Moser P,Lott J A,Bimberg D 2017IEEE J.Quantum Electron.53 2400908

[24]Dalir H,Koyama F 2013Appl.Phys.Lett.103 091109

[25]Kao H Y,Chi Y C,Peng C Y,Leong S F,Chang C K,Wu Y C,Shih T T,Huang J J,Kuo H C,Cheng W H,Wu C H,Lin G R 2017IEEE J.Quantum Electron.53 8000408