垂直腔面發射半導體激光器腔模位置對器件輸出波長的影響研究

梁靜，賈慧民，蘇瑞鞏，唐吉龍，房丹，馮海通，張寶順，魏志鵬

(1.長春理工大學 理學院 高功率半導體激光器國家重點實驗室，吉林 長春 130022；2.中國科學院 蘇州納米技術與納米仿生研究所，江蘇 蘇州 215123)

0 引言

垂直腔面發射半導體激光器(VCSEL)以體積小、閾值低、光束質量高、可二維列陣集成等優勢吸引了眾多研究人員的關注，其在泵浦、光通信和照明等領域已獲得大規模應用。現階段，VCSEL已經作為三維傳感系統應用于手機上，隨著三維傳感、自動駕駛、虛擬現實/增強現實(VR/AR)等一系列應用從概念到市場化的普及，VCSEL的市場需求將會進一步爆發[1-2]。VCSEL在芯片原子鐘的應用研究中也發揮著關鍵的作用[3-7]，芯片原子鐘要求其光源器件VCSEL在高溫工作環境下實現單模且波長穩定的激光輸出。VCSEL的腔模位置對其輸出波長具有重要影響，腔模對應的光學增益由有源區提供[8-9]，并且腔模的溫漂速率小于量子阱增益峰值波長的溫漂速率，因此外延材料需要進行腔模與增益失諧的合理設計，使VCSEL的腔模增益在70 ℃～90 ℃溫度區間內保持較高水平，以確保器件穩定的激射性能。

對VCSEL進行結構設計、外延材料分析、工藝制備和封裝測試，并結合測試結果對所設計結構及工藝進行反饋優化，是實現VCSEL穩定波長激光輸出的有效手段。2006年Koyama介紹了VCSEL的優勢及其在光信號處理方面的發展潛力[10]。1993年Young等利用腔模增益研究高溫下VCSEL的工作特性，獲得了145 ℃高溫環境下工作的VCSEL芯片[11]。1994年Lu等通過研究腔模增益，實現了VCSEL大溫度范圍內工作的卓越特性[12]。2013年Zhang等采用基于準三維有限元分析VCSEL模型研究器件結構的溫度分布和波長輸出，得到了輸出波長為795 nm的VCSEL芯片[13]。2016年Xiang等采用增益腔模失配特性制備出閾值電流為1.94 mA、輸出波長為894.6 nm的VCSEL芯片[14]。高性能可調諧半導體激光器已在發射現場氣體濃度檢測領域提供新的解決思路[15]。近年來，隨著VCSEL在微型電子類產品中所具有的優勢，其已成為半導體激光器應用領域的研究熱點。由于VCSEL的外延材料為多層膜結構，分布式布拉格反射鏡(DBR)及有源區材料光學厚度會隨溫度變化引起諧振腔光學厚度變化，從而使輸出波長發生變化。因此，對VCSEL腔模位置與輸出波長的影響進行研究，制備出穩定波長激光輸出的VCSEL芯片，對其在照明、醫療、軍事等方面的應用具有重要意義。

本文針對適用于芯片原子鐘(CSAC)的VCSEL器件，利用腔模與增益匹配的VCSEL外延結構，結合實驗研究了VCSEL腔模位置對輸出波長的影響，設計出7組腔模位置不同的VCSEL結構，通過垂直腔面發射激光器工藝制備VCSEL芯片，采用光譜儀對VCSEL的輸出波長進行測試并與所設計腔模位置進行對比，得到了VCSEL腔模位置與輸出波長的線性對應關系。根據實驗結果，設計出腔模位置在890.5 nm的VCSEL結構，所制備芯片實現了85 ℃高溫環境下894.6 nm的穩定波長激光輸出。

1 實驗及理論分析

1.1 腔模位置與輸出波長關系理論分析

VCSEL諧振腔的光學厚度通常為λ0/2的整數倍(λ0為所設計激光器的輸出波長)，VCSEL的諧振腔腔長極短，具備單縱模特性，將VCSEL結構中的諧振腔等效為一層，稱為鏡腔。光在VCSEL結構中傳輸時通過上下DBR反射后在鏡腔界面的反射相位剛好相差π的奇數倍，造成光場的相互抵消，使反射率降低，因此在反射譜上所設計波長λ0處的反射率最低。

在反射譜中，反射帶寬用微擾法進行解析，可表示為

(1)

式中：Δλ為反射帶寬；Δn為折射率差；neff為有效折射率；λ0為所設計激光器的輸出波長。通過(1)式可計算出截止帶(高反射率帶)寬度。VCSEL結構的反射譜可由傳輸矩陣理論計算得出，光通過第k層DBR反射鏡的傳輸矩陣可表達[16]為

(2)

式中：B、C表示傳輸矩陣元；δj為通過第k層后光場所產生的相位變化；nj為第j層的折射率；i為層數；nk+1為出射介質的折射率。

多層材料的反射率可用傳輸矩陣元表示為

(3)

式中：n0為入射介質的折射率；*表示取復共軛。由(3)式可得出各個波長對應的反射率及VCSEL的反射譜，在高反射帶上出現的1個反射率較低的位置即為腔模位置。

VCSEL的諧振腔由兩個DBR夾有厚度為Lc、反射率為ns的隔離膜結構組成。輸出波長為λ0的諧振條件可表示為

(4)

(5)

式中：θ1、θ2分別為兩個反射鏡上反射波的相移；N為駐波波峰波節，N=1,2,….

設θ1=θ2=π(nsn2)，當N=2時，構成隔離層中心為駐波波峰的λ0/2諧振腔。光波在VCSEL結構中循環反射，并在諧振腔中形成駐波[17]，最后實現波長λ0輸出。

1.2 VCSEL設計及制備

下面根據VCSEL腔模位置與輸出波長的理論關系，設計多組諧振腔光學厚度不同，即腔模位置不同的VCSEL結構；采用金屬有機化合物化學氣相沉積(MOCVD)方法進行VCSEL材料的外延生長，通過工藝制備得到VCSEL芯片，對VCSEL的輸出波長進行測試并與所設計腔模位置進行對比分析，研究VCSEL腔模位置與輸出波長之間的關系。

本文所設計的VCSEL結構示意圖如圖1所示，該結構中N型DBR由34對Si摻雜濃度為2×1018cm-3的Al0.9Ga0.1As/Al0.12Ga0.88As緩變層組成，用于提供大于99%的反射率；有源區由兩對InyGa(1-y)As/AlxGa(1-x)As量子阱組成；厚度為30 nm的Al0.98Ga0.02As作為氧化限制層；P型DBR由22對C摻雜濃度為1.5×1018cm-3的Al0.9Ga0.1As/Al0.12Ga0.88As緩變層構成，每對DBR的光學厚度均為λ0/2.

對VCSEL外延片進行工藝制備的具體步驟如下：1)進行光刻與刻蝕工藝，采用電感耦合等離子體(ICP 180)在外延片P面刻蝕出圓形臺面結構，刻蝕深度為4.6 μm；2)在400 ℃的管式氧化爐內，經120 min的水汽氧化形成氧化限制層，氧化孔徑約為4 μm[18]；3)氧化完成后采用等離子體增強PECVD方法進行鈍化，并用PI膠填充間隔槽，使其達到平坦的臺面結構；4)采用磁控濺射工藝制備P面金屬電極，將N面減薄拋光至150 μm，并制備N面金屬電極；5)進行退火工藝，使N面電極和P面電極形成良好的歐姆接觸。

完成工藝制備后，對VCSEL芯片進行解理封裝，采用Loomis解理設備進行解理，將熱敏電阻、電熱絲、衰減片以及VCSEL芯片等封裝在印刷電路板上，完成封裝工作。選用荷蘭Avaspec公司生產的Avaspec ULS2048L-2-USB2光譜儀(步長為0.25 nm)及測試軟件AvaSoft8進行激射光譜測試，測試過程中采用CPT物理測試系統(溫度精確度為0.01 ℃，電流精確度為0.001 mA)控制溫度和電流值，得到穩定溫度下VCSEL的輸出波長并與所設計的腔模位置進行對比分析，研究得出VCSEL腔模位置與輸出波長之間的關系。

2 實驗結果與分析

本文采用美國NANOMETRICS公司生產的RPM2000 PL-Mapping快速掃描熒光光譜儀在室溫對VCSEL外延片進行測試，獲得VCSEL外延片的腔模位置，測試結果如圖2所示。

圖2 不同VCSEL外延結構在25 ℃下的腔模位置圖Fig.2 Positions of cavity modes for different VCSEL structures at 25 ℃

對VCSEL外延片分別開展工藝制備并得到VCSEL芯片。在25 ℃及0.5 mA驅動電流的工作環境中對VCSEL芯片的輸出波長進行測試，獲得的輸出光譜如圖3所示，芯片1～7的輸出波長分別為887.4 nm，888.2 nm，892.0 nm，897.4 nm，898.6 nm，900.5 nm和901.5 nm.

圖3 不同VCSEL結構在25 ℃的輸出光譜Fig.3 Output spectra of different VCSEL structures at 25 ℃

圖4所示為VCSEL腔模及輸出波長的統計結果。由圖4(a)可知，在0.5 mA驅動電流下芯片1～7的輸出波長與腔模位置呈線性關系，腔模位置的變化與輸出波長的變化趨勢相同，7個VCSEL芯片的輸出波長均比腔模位置略大。這是因為VCSEL在連續工作時內部產生熱量，從而引起諧振腔光學厚度的變化，AlxGa(1-x)As等材料的禁帶寬度及折射率隨溫度均有變化[19-21]，溫度升高會導致VCSEL增益譜及材料折射率發生變化，從而使諧振腔及DBR光學厚度增加，并引起VCSEL腔模位置紅移。結果表明，本實驗中VCSEL腔模位置的紅移速率為～0.058 nm/℃.對VCSEL進行變溫光譜測試，獲得VCSEL輸出波長隨溫度的變化曲線，如圖4(b)所示，芯片6的峰位紅移速率約為0.063 nm/℃，測試結果表明VCSEL的峰位紅移速率為(0.062±0.002)nm/℃.

圖4 VCSEL腔模及輸出波長Fig.4 Cavity mode and output spectra of VCSEL

根據理論分析和實驗獲得的結果，對70 ℃～90 ℃溫度區間內波長為894.6 nm的VCSEL芯片進行結構設計，所設計VCSEL結構的腔模位置為890.5 nm.外延生長的890.5 nm VCSEL腔模位置測試結果如圖5所示。由圖5可見，在890.5 nm處出現了反射率相對較低且半峰寬很小的尖峰，該尖峰所對應的位置即為腔模位置，表明外延材料的腔模位置滿足設計需要。

圖5 890.5 nm VCSEL的腔模位置Fig.5 Cavity mode for 890.5 nm VCSEL

對外延片開展工藝制備得到VCSEL芯片，并對芯片進行封裝及性能測試。激射譜測試結果如圖6所示，在30 ℃及0.5 mA驅動電流的工作條件下輸出波長為891.2 nm；85 ℃及0.5 mA驅動電流的工作條件下輸出波長為894.6 nm.圖6中的插圖為VCSEL的輸出波長隨溫度的線性變化曲線。從圖6可見，輸出波長隨溫度變化的速率為0.062 nm/℃，輸出波長的溫漂速率與腔模位置的溫漂速率接近，符合預期實驗設計。由圖6中的溫漂測試結果可知，通過對工作溫度進行調整，可實現在70 ℃～90 ℃的高溫工作環境中，0.5 mA驅動電流條件下獲得894.6 nm輸出波長的VCSEL芯片。

圖6 VCSEL的溫漂曲線Fig.6 Temperature drift of VCSEL

3 結論

本文分析了腔模位置對器件輸出波長的影響，設計并制備了多組腔模位置不同的VCSEL芯片，對VCSEL的腔模位置與輸出波長進行了測試分析。通過實驗研究得出VCSEL的腔模位置與輸出波長呈線性對應關系。設計出腔模位置為890.5 nm的VCSEL外延結構，通過器件工藝實現了在85 ℃高溫環境條件下894.6 nm穩定波長激光輸出的VCSEL芯片。通過合理設計VCSEL的腔模位置，實現了對VCSEL芯片目標輸出波長的調控，該研究為其他波段實現穩定波長激光輸出的VCSEL奠定了基礎。