長波長垂直腔面發射激光器研究

中國科學院半導體研究所 中國科學院大學材料科學與光電工程中心 傳感器技術國家重點實驗室 付登源 王櫟皓 趙俊元

中國空空導彈研究院 航空制導武器航空科技重點實驗室 趙松慶 吳根水 陳海燕

中國科學院半導體研究所 中國科學院大學材料科學與光電工程中心 傳感器技術國家重點實驗室 朱銀芳 楊晉玲

近年來，垂直腔面發射激光器（VCSEL）由于其較低的閾值電流和垂直襯底表面出光的特性受到研究人員的廣泛關注。長波長VCSEL在光通信和光互聯領域具有巨大的潛在研究意義，本文從應用、發展現狀、存在的技術問題、解決方法等方面采用有限元仿真對長波長VCSEL進行了分析，并進行了展望。

在實際裝備系統性能測試環節中，雖然完全采用實物測試得到的數據反饋真實有效，但是由于測試環境千變萬化，使得測試成本劇增。唯一的替代辦法是提供仿真環境。仿真技術可以在實驗室中模擬激光成像制導控制系統的工程狀況，可以提高設計質量、減少飛行實驗次數、降低裝備系統研制成本、縮短研制周期，已成為激光成像系統優化設計和評估的必要手段。根據采用的模型不同，激光仿真可分為數學仿真、物理仿真和半實物仿真三類。其中半實物仿真將物理仿真和數學仿真相結合，既能得到比數學仿真更加真實有效的數據，又能完成物理仿真無法模擬的場景。半實物仿真系統能夠應用于對激光成像儀、激光探測系統的測試和評估，其核心技術是動態激光圖像生成技術，而激光成像發生器是激光動態圖像生成技術的核心部件。基于微電子機械系統（MEMS）技術的垂直腔面發射激光器（VCSEL）具有響應速度快、易于陣列化、發射功率高、動態范圍大等優點，將成為用于半實物仿真中激光成像發生器的主要發展方向。垂直腔面發射激光器（VCSEL）在閾值電流、使用壽命、大陣列集成等方面具有突出的優勢。其中長波長的面垂直發射激光器在光通信、原子鐘、醫學檢測及氣體檢測等方面具有獨特的應用優勢，所以對于長波長垂直腔面發射激光器的研究意義重大。

1 垂直腔面發射激光器的介紹

1.1 垂直腔面發射激光器的結構和原理

圖1所示為VCSEL的結構模型圖，從上到下結構上分別為P型電極、P型布拉格反射鏡（P-DBR）、有源增益區、N型布拉格反射鏡（N-DBR）、N型電極、襯底。相比于邊發射半導體激光器，VCSEL的出光方向垂直于襯底表面，法布里珀羅諧振腔較短，為了達到出光條件，VCSEL中的DBR反射鏡需要更高的反射效率（＞99%）。DBR反射鏡的性能直接影響到VCSEL器件的閾值電流、輸出功率等主要參數，現階段主要由AlGaAs/GaAs材料逐層生長制成，每一層材料的光學厚度為中心波長的1/4。氧化限制孔夾在DBR反射鏡與有源區之間，用于電場與光場限制。在靠近VCSEL器件有源區的上方和下方采用高Al組分的AlGaAs材料，放入高溫潮濕環境下，利用濕法氧化工藝能夠形成均勻致密的氧化層。有源區夾在P-DBR與N-DBR之間，VCSEL器件工作時會在有源區形成駐波，使得光子能量放大最后形成激射。為了形成駐波，有源區的光學厚度應為半波長的的整數倍。有源區量子阱的材料一般選用InGaAs/GaAsP材料體系，因為InGaAs一般會處于壓應變狀態，GaAsP可以提供應變補償，解決了傳統材料應變隨激射波長的增加而增大的現象，還可以提供較高的增益。

圖1 VCSEL器件結構模型圖

1.2 垂直腔面發射激光器的優點

VCSEL由于垂直于襯底表面出光的特性相比于傳統的邊發射半導體激光器擁有很多獨特的優勢。一般邊發射半導體激光器中的DBR反射鏡反射效率只需達到60%即可形成激射，而VCSEL器件中的DBR反射鏡反射率則需要達到99%以上，雖然增加了制成工藝的難度，但由于更高的反射率，VCSEL的閾值電流更低，大大降低了器件的功率和腔內損傷，提升了器件的使用壽命；并且由于VCSEL的出光方向，更適合二維陣列集成；結合MEMS工藝可以實現波長的調制功能，使得單一器件能夠得到更多的應用；除此之外，VCSEL同時具有易與光纖耦合，光電轉換效率高，能夠與大規模集成電路耦合等獨特優勢。

1.3 長波長面垂直發射激光器的介紹

由于長波長VCSEL在遠距離信息傳輸，光互聯等方面具有重大的應用前景，具有非常重要的研究意義。現階段840nm和980nm的VCSEL器件制造技術已經十分成熟，但是長波長VCSEL（1.3μm和1.55μm）的研制依舊困難重重。長波長VCSEL器件有源區材料的選擇主要有兩種——GaAs和InP。由于InP材料的折射率變化性差，導熱性差，所以不能用于制作高反射率的DBR反射鏡。為了解決這個問題，一般采用InP材料制成的有源區和GaAs制成的DBR反射鏡通過熔融鍵合而成，但不適合大規模制造。而由GaAs材料制成的有源區可以實現整個VCSEL器件的單片生長，但由于應變的限制，GaAs基的VCSEL器件的光波長最高只能到達1200nm。為了得到更高波長的出射光，可采用GaAsSb/GaAs，GaAsSb作為應變補償層。

2 垂直發射激光器的研究現狀

1979年第一只波長為1.3μm的GaInAsP/InP的VCSEL研制成功，但無法在室溫下運行，必須在液氮冷卻和脈沖電流驅動下才能工作，閾值電流也高達800mA。隨后對于長波長VCSEL器件的研制得到了更多的研究人員關注。

對1.3μm VCSEL的研究主要集中于有源區材料的選擇，如GaInNAsSb/GaAs量子阱、InGaAlAs/InP量子點等。2002年，Henning Riechert等人使用MBE和MOVPE兩種設備生長制作1.3μm VCSEL器件，其中使用MBE設備制成的VCSEL室溫下的單模輸出功率大于1mW，閾值電流為2.2mA，傳輸距離大于20.5km，傳輸速度的達2.5Gbit/s。使用MOVPE設備生長的VCSEL單模輸出功率為1.4mW，閾值電流為1.25mA，傳輸速度達到10Gbit/s；A.Mereuta等人通過優化生長條件和一種諧振腔調諧技術，將波長產率提高到70%。在0-80℃的溫度范圍內，單模器件的閾值電流低于1mA，且工作電流小于7mA；時隔一年，該研究人員及團隊通過選擇性去除DBR反射層，調整GaAs基的DBR反射率來優化輸出耦合，室溫下單模功率達到6.8mW，80℃下也可以達到2.8mW，單模抑制比大于30dB。

對于1.55μm VCSEL器件的研制主要關注點是DBR反射鏡和其他結構的設計優化上。2001年，I.Sagnes等人首次利用MOCVD生長設備研制出InP/AlGaInAs材料體系的VCSEL器件，僅生長40對四分之一波長的DBR材料反射率即可達到99.96%，較之前的研究結果，反射鏡的厚度減小了25%，同時大大降低了由DBR反射鏡材料堆疊造成的串聯電阻的阻值；2009年，Werner Hofmann等人通過減少1.55μm VCSEL腔內的器件寄生，并設計高應變有源區，調制速度可達22Gbit/s，同時在85℃下數據傳輸速度仍然可以達到12.5Gbit/s。

上世紀90年代，VCSEL器件傳入國內，引起了國內研究人員的興趣，雖然起步較晚，但半導體激光器產業在國內發展迅猛。國內VCSEL器件的發展主要集中于840nm和980nm波長范圍內。目前，中科院半導體研究所，中科院長春光學精密機械與物理研究所，長春理工大學，北京工業大學等在研究VCSEL，在器件的材料外延生長、芯片制造及器件封裝方面掌握了部分核心科技。但是針對與長波長的VCSEL器件的研制卻少之又少。2018年，中國科學院半導體研究所的劉麗杰，吳遠大等人在InP襯底上設計了1550nm的長波長VCSEL器件，室溫下閾值電流為30mA，最大輸入功率為270mW。

3 長波長面垂直發射激光器發展的難點

長波長VCSEL的DBR材料選擇主要有兩種——InP/InGaAsP和GaAs/AlAs。其中InP/InGaAsP材料可以利用外延的方式和InP基襯底晶格相匹配，但是這兩種材料的折射率差較小，為了達到足夠高的反射率需要更多的材料層對數，給外延生長造成較大的困難。同時InP/InGaAsP材料體系熱傳導性較差。GaAs/AlAs材料體系折射率差較大，與InP/InGaAsP相比，DBR反射鏡的厚度較小，且具有優良的熱傳導性，所以GaAs/AlAs材料體系是長波長VCSEL器件DBR反射鏡材料選擇的首選。但GaAs/AlAs材料體系與InP基襯底之間晶格失配較大，很難通過外延生長制作單片VCSEL器件。由于空穴的遷移率小于電子的遷移率，P-DBR反射鏡的電阻基本決定了串聯電阻的大小。P型材料的電阻過大會導致VCSEL器件發熱嚴重，影響整個器件的發光性能。除此之外，在長波長波段內，P型材料的價帶內帶間吸收嚴重，不利于器件工作。

為了解決上述問題，可以采用熔融鍵合的方法將GaAs/AlAs材料體系和InP基襯底相鍵合或采用掩埋隧道結結構。在掩埋隧道結結構中使用N型材料氧化限制層和DBR反射鏡替代原P型材料氧化限制層和DBR反射鏡。這大大減小了整個VCSEL器件的串聯電阻，增大了電光轉換效率，降低器件的發熱，并且提高了電流注入的均勻性和光學吸收損耗。

4 1064nmVCSEL仿真設計

VCSEL的核心結構有上層DBR反射鏡，量子阱有源層和下層DBR反射鏡。DBR反射鏡一般由多周期的高反射膜堆疊而成，每層材料的厚度為λ/4。由于VCSEL器件的腔室較短，所以DBR反射鏡需要較高的反射率（＞99%）。然而DBR反射鏡又是VCSEL器件的主要熱源，器件溫度過高會嚴重制約器件的性能，所以DBR反射鏡的設計對整個VCSEL器件的閾值特性以及頻率響應特性都有著重要的影響。DBR反射鏡是有高反射率（n1）材料和低反射率（n2）材料堆疊制成，且兩種材料反射率差值越大，堆疊層數越多，整體DBR反射鏡的反射率越大，設計的每一層材料的厚度可由式(1)、式(2)得到：

圖2 VCSEL器件材料層及厚度

圖3 VCSEL器件DBR反射鏡反射率仿真結果

根據目標波長為1064nm，結合式(1)、(2)可以計算得到DBR結構的材料成分Al0.88Ga0.12As的單層厚度為89.1nm，GaAs的單層厚度為76.5nm。圖2所示為設計的VCSEL器件的結構以及每層材料的厚度的示意圖。

使用有限元仿真軟件對不同材料堆疊對數的DBR的反射率進行仿真，圖3所示為仿真結果。仿真結果表明，疊層對數較少時，反射率較低，且通帶與其他模態峰相近。N=20時能達到99.5%以上的反射率。DBR反射層數繼續增多時，將會帶來生長中應力積累而出現晶格失配影響外延層質量，且較厚的DBR結構也會引入較大的串聯電阻，產熱增多，影響輸出功率。

有源區材料選擇為InGaAs/GaAs應變量子阱材料，其中InGaAs材料作為勢阱，GaAs材料作為應變補償勢壘層。帶隙寬度與波長的關系為式(3)所示：

對于1064nm波長，量子阱InxGa1-xAs材料的帶隙計算結果為1.167eV。室溫下InxGa1-xAs阱層材料的非應變帶隙表達式為式(4)所示：

考慮應變對量子阱帶隙的影響，選用InxGa1-xAs材料In的組分為0.25，故采用In0.25Ga0.75As/GaAs(8nm/6nm)作為有源層材料。

5 結論

本文從VCSEL器件結構原理、長波長VCSEL器件的應用、發展現狀、存在的問題及解決方法等問題進行了研究。長波長VCSEL在遠距離信息傳輸，光互聯、光并行處理，光識別系統及氣體檢測等方面具有重大的應用前景。希望將來國內外的研究人員能夠在長波長VCSEL領域取得長足的進步，實現商品化。