高功率轉換效率905 nm垂直腔面發射激光器的設計與制備*

趙壯壯 荀孟 潘冠中 孫昀 周靜濤 王大海 吳德馨

(中國科學院微電子研究所， 北京 100029)

通過對影響垂直腔面發射激光器(vertical cavity surface emitting laser， VCSEL)的功率轉換效率的因素進行理論分析， 得出斜率效率是影響功率轉換效率的主要因素的結論.為獲得高功率轉換效率， 通過對有源區量子阱、P型和N型分布布拉格反射鏡(DBR)等進行優化， 設計出了905 nm VCSEL的外延結構并進行了高質量外延生長.成功制備出了不同氧化孔徑的905 nm VCSEL器件， 獲得的最大斜率效率為1.12 W/A， 最大轉換效率為44.8%.此外， 探究了氧化孔徑對VCSEL的遠場和光譜特性的影響.這種具有高功率轉換效率的905 nm VCSEL器件為激光雷達的小型化、低成本化提供了良好的基礎數據.

1 引 言

垂直腔面發射激光器(vertical cavity surface emitting laser， VCSEL)具有許多優異的特性， 如圓形光斑、低閾值、單縱模、高速調制、波長溫漂小、易于二維集成等[1-5]， 已在數據通信， 短距離光互連中得到了廣泛的應用[6-10].近年來， 隨著手機3D傳感、虛擬與現實、手勢識別等技術的興起，VCSEL在消費電子市場迅速崛起， 并呈現逐年增長的態勢.另外， 在距離探測、自動駕駛等領域， 高精度、小體積的激光雷達成為必不可少的關鍵部件.其中， 905 nm的半導體激光器成為激光雷達的主流核心光源， 這是因為空氣中的水蒸汽對905 nm波段附近的激光具有較小的吸收.此外， 905 nm波段可以與成熟廉價的Si探測器以及具有高響應度的雪崩二極管探測器(APD)匹配.在激光雷達中應用時， VCSEL相對于邊發射激光器具有非常明顯的優勢.首先， VCSEL可以發射出圓形光斑， 這使后期的光學準直變得相對容易.而邊發射激光器的出射光是橢圓形光斑， 在水平和垂直方向會造成分辨率的不同.其次， VCSEL的激射波長溫漂小，通常為0.065 nm/℃， 遠小于邊發射激光器的溫漂0.3 nm/℃， 這在實際應用時是非常關鍵的.由于VCSEL溫漂小， 可以采用窄窗口的濾波片， 防止更多的雜光進入探測端， 從而大大提高信噪比.另外， VCSEL可實現完整的片上制備流程和在片測試， 可以降低生產成本.此外， 由于其較容易集成二維陣列， 可適應不同領域的輸出功率需求.

目前國內外大多數VCSEL的研究集中于808， 850， 980 nm等波段[11-17]， 對于905 nm VCSEL研究較少.據了解， 只有TriLumina 公司初步報道了高峰值功率的905 nm VCSEL陣列的結果[18]，以及Zhang等[19]報道了910 nm VCSEL陣列實現了100 W峰值功率輸出.而對905 nm VCSEL的高功率轉換效率的詳細設計與制備的研究， 還未見報道.在實際的應用中， VCSEL的功率轉換效率(power conversion efficiency， PCE)是非常關鍵的指標.因為功率轉換效率越高， 器件在相同的輸出功率下會產生更少的熱量， 有利于提高器件的可靠性和壽命， 同時也可降低設備散熱成本， 提高電池的使用時長.因此， 在移動設備和微型激光雷達等應用均要求激光光源具有高PCE.針對不同的應用， 不同波段的VCSEL的功率轉換效率也有差別.例如， 850 nm波段多用于短距離光互聯領域， 由于短腔長、低能耗的設計， VCSEL的PCE一般在30%—35%之間[20，21]; 1310 nm和1550 nm波段可用于中遠距離通信， 但由于有源區與DBR材料的不匹配， 外延和制備的難度較大， 使VCSEL的PCE一般低于35%[22，23].808 nm VCSEL一般用于固體激光器的泵浦源， 目前報道的大功率VCSEL陣列的PCE可達39%以上[24].對于980 nm波段，由于GaAs材料對該波段透明， 因此980 nm的VCSEL可以設計成底發射結構， 很大程度上提高了器件的散熱性能， 使其最大PCE可達51.2%[25].

本論文首先分析了VCSEL中影響PCE的主要因素， 然后對905 nm VCSEL的有源區、反射鏡等外延結構進行了優化設計， 最后成功制備出具有高PCE的多種孔徑的905 nm VCSEL器件， 并對其LIV特性、遠場和光譜等進行了詳細的測試分析.

2 905 nm VCSEL外延結構設計與生長

VCSEL的功率轉換效率(PCE)與斜率效率、閾值電流和微分電阻的關系可以用以下公式表示[26]:

其中，ηe為VCSEL的斜率效率，q為電荷量，hv為光子能量，V0為激光器的開啟電壓，Rd為激光器的微分電阻，Ith為閾值電流.當 dηpce/dI=0 時， 可得到PCE峰值為

由(2)式變形得到:

由(3)式可以看出， 提高斜率效率、降低微分電阻和降低閾值電流都可以提高PCE的最大值.為了進一步分析三者對峰值PCE影響的權重大小， 令β=V0/(IthRd)， 假定閾值電流和微分電阻保持不變， 即為常數.此時，峰值PCE與斜率效率ηe的關系呈現正比例變化， 即當斜率效率提升10%， 峰值PCE也提升10%.如果假定斜率效率不變時， 峰值PCE與β的微分關系為:

根據實際測試數據， 以10 μm氧化孔徑的VCSEL為例， 其閾值電流Ith為0.85 mA， 開啟電壓V0為1.43 V， 電阻Rd為42.3 Ω， 實際計算得到β=39.77.可以看出， 要想使峰值PCE提升10%， 需要將閾值電流或微分電阻降低64.03%.因此， 斜率效率的變化對PCE的影響要比閾值電流和微分電阻對PCE的影響大得多.要提高VCSEL的PCE， 優先考慮提高斜率效率， 其次是降低閾值電流或電阻.由于斜率效率與內量子效率成正比例關系[27]，而內量子效率與量子阱增益、諧振腔等設計非常相關， 所以對量子阱以及諧振腔的設計尤為重要.

傳統的VCSEL有源區一般采用GaAs/AlGaAs作為量子阱材料， 這種體系的量子阱結構簡單， 易于生長.為了提高量子阱微分增益， 采用具有應變的InxGa1—xAs/AlxGa1—xAs量子阱結構.這是因為應變可以增大價帶的曲率， 降低價帶的有效質量，使得準費米能級的間隔更為對稱， 且兩個準費米能級盡可能地接近帶邊， 降低了透明載流子濃度， 從而提高了有源區的微分增益[28].值得注意的是， 有源區增益譜和腔模均會隨溫度上升而發生紅移， 而增益譜的紅移速度(0.3 nm/℃左右)要比腔模的紅移速度(0.065 nm/℃左右)快， 因此需要設計一定的增益譜峰值與腔膜的失諧補償， 一般為10—15 nm.利用8-bandk·p能帶理論[29]首先計算了量子阱寬度為6 nm， 勢壘層寬度為8 nm的不同In組分的InxGa1—xAs /Al0.3Ga0.6As量子阱增益譜的變化趨勢， 如圖1所示.可以看出， 隨著In組分的增大， 增益譜峰值發生紅移.

圖1 不同In組分下的InxGa1—xAs /Al0.3Ga0.6As量子阱增益譜(載流子濃度為5 × 1018 cm—3)Fig.1.Gain spectra of InxGa1—xAs/Al0.3Ga0.6As QW with different In compositions (carrier concentration is 5 ×1018 cm—3).

量子阱層厚度的增大也會使增益譜峰值發生紅移.在設計量子阱材料時， 需要同時調節阱層厚度和In組分的大小使增益峰值位于892 nm附近，以得到13 nm左右的失諧波長.為了得到更大的增益， 需要對阱層厚度和In組分進行優化.圖2為計算的勢壘層厚度固定為8 nm時， 不同阱層厚度和In組分下的3對量子阱的增益峰值隨載流子濃度的變化關系.圖2中設計的量子阱的增益峰值均位于892 nm附近.從圖中可以看出， 當阱層較厚時， 雖然獲得固定的材料增益所需的載流子密度降低， 但是材料增益曲線的斜率下降， 也更容易出現飽和現象.當阱層較窄時， 材料增益曲線斜率增大.但是如果阱層厚度太窄， 基態能級上升， 那么基態與壘層頂端之間的能量差會變小.由于載流子填充時首先要填充基態， 電子跳出阱層所需要克服的勢壘會進一步降低， 那么載流子發生泄漏的概率會明顯增加[30].因此， 量子阱厚度太厚或太薄均會影響發光區的增益性能， 不利于器件的穩定工作.經過綜合考慮， 采用量子阱材料為In0.123GaAs， 阱厚度為6 nm， 勢壘層為Al0.3Ga0.6As材料， 厚度為8 nm.

VCSEL諧振腔是由有源區、N型和P型分布布拉格反射鏡(distributed Bragg reflectors， DBRs)組成.DBRs的優化設計對于VCSEL輸出特性的提升也至關重要.P-DBRs和N-DBRs的對數會影響腔面的反射率以及串聯電阻.由于電子的遷移率遠大于空穴， 因此N-DBRs引起的串聯電阻較小，在設計時只考慮其反射率.為了減小腔內損耗， 將N-DBRs的對數設計為40對， 使其反射率接近100%.P-DBRs的對數會對斜率效率和串聯電阻有較大影響， 如果P-DBRs的對數過多， 雖然可以減小閾值電流， 但是會使斜率效率降低， 同時也會增大串聯電阻.考慮到斜率效率是影響PCE的主要因素， 在設計時需要適當減小P-DBRs的對數來獲得高斜率效率.圖3為利用傳輸矩陣法[28]計算的不同對數的P型DBRs的反射率.當P-DBRs對數為16， 18， 20， 22時， 905 nm波長處對應的反射率分別為98.05%， 98.82%， 99.20%， 99.51%.PDBRs的對數選擇需保證擁有足夠的反射率(一般99%以上)實現激光器的激射.由于P-DBRs對數的減少會引起閾值電流增大， 使獲得高PCE的工作電流也變大， 因此設計時也需要同時考慮VCSEL器件實際工作的電流范圍.根據實驗測得，當P型DBR對數為22對時， 閾值電流和斜率效率分別為0.55 mA和0.87 W/A.當P型DBR對數為20對時， 閾值電流和斜率效率分別為0.85 mA和1.11 W/A.可以看出， P型DBR減小2對后，斜率效率獲得了較大提升， 而且閾值也在合適的范圍.當P型DBR對數減小為18對時， 閾值電流增大到1.2 mA， 斜率效率稍微增大， 為1.13 W/A.經過折中考慮， 選取的P-DBRs為20對Al0.9Ga0.1As/Al0.12Ga0.88As組成， 為減小材料間勢壘， 中間插入20 nm的AlGaAs組分漸變層.

圖2 不 同 量 子 阱 厚 度、In組 分 下 的InxGa1—xAs/Al0.3 Ga0.6As量子阱增益隨載流子濃度的變化Fig.2.Gain spectra of InxGa1—xAs/Al0.3Ga0.6As QW with different well widths and In compositions versus carrier density.

圖3 計算的不同對數的P-DBRs的反射譜Fig.3.Calculated reflection spectra of P-DBRs with different pairs.

設計完成后， 利用型號為Axitron G4 的MOCVD設備進行外延生長.首先， 在N型摻雜的GaAs襯底上交替生長40對Al0.9Ga0.1As/Al0.12Ga0.88As的N-DBRs， 為了減小材料間勢壘， 中間插入生長20 nm的AlGaAs漸變層; 然后， 生長Al0.3GaAs限制層和3對In0.123Ga0.88As/Al0.3Ga0.7As量子阱;之后生長20 nm的Al0.98Ga0.02As層， 作為氧化限制層; 再交替生長20對Al0.9Ga0.1As/Al0.12Ga0.88As的P型DBRs， 最后， 生長重摻雜的P型歐姆接觸層.完成外延生長后， 測試了外延片的白光反射譜和PL譜， 分別如圖4(a)，(b)所示.測試的腔模位置位于為903.7 nm附近， 與設計值接近.量子阱PL譜的峰值為893.7 nm， 半高全寬(FWHM)為21.6 nm， 說明量子阱的生長質量較好.

圖4 測試的905 nm VCSEL外延片的 (a)白光反射譜和(b) PL譜Fig.4.Measured (a) white light reflection spectrum and(b) PL spectrum of 905 nm VCSEL epitaxial wafer.

3 器件制備與測試分析

利用生長的905 nm VCSEL外延片， 制備了氧化孔徑為6—18 μm多種VCSEL器件.器件的具體制備過程如下: 首先， 采用電子束蒸發法制備P型歐姆接觸電極; 然后， 通過電感耦合等離子體(ICP)干法刻蝕P-DBR后， 露出高鋁組分的Al0.98GaAs層， 蝕刻深度由原位反射率測量系統監控;之后在400 ℃， H2O/N2環境下對Al0.98GaAs層進行濕法氧化形成AlxOy， 實現對光場和電流的同時限制; 接下來， 生長SiNx層形成鈍化層， 防止NDBR與P型電極接觸導致器件漏電; 然后在刻蝕的溝道內電鍍厚金以增加橫向熱傳導， 減薄襯底至150 μm后蒸發AuGeNi/Au N型電極.最后，在350 ℃氮氣環境中快速熱退火， 形成良好的歐姆接觸， 完成VCSEL器件的制備.圖5為制備的VCSEL器件的結構示意圖.

在室溫下對制備的VCSEL器件進行了測試，采用的測試系統主要包括: 探針臺、校準的光電探測器、半導體參數分析儀(Keithley 236)、高精度的電流源(keithley 2601 B)、光束質量分析儀(Spiricon SP928)以及高分辨率光譜分析儀(Advanst Q8384).測得不同氧化孔徑的905 nm VCSEL器件在連續電流條件下的光功率-電流-電壓(LIV)特性曲線如圖6(a)，(b)所示.提取的閾值電流、最大功率、飽和電流和閾值損耗功率如圖6(c)—6(f)所示.可以看出， 閾值電流隨著氧化孔徑的增大而增大， 最大輸出功率和飽和電流隨著氧化孔徑的增大呈現近似線性的變化.當氧化孔為6 μm時， 最大出光功率達到10.5 mW， 閾值電流為0.35 mA; 當氧化孔為18 μm時， 最大出光功率達到32.8 mW，閾值電流為2.1 mA.氧化孔徑越大， 微分電阻越小， 而且熱翻轉電流越大， 分別如圖6(b)和6(e)所示.

圖5 VCSEL器件結構示意圖Fig.5.Schematic diagram of VCSEL device structure.

圖6 不同氧化孔徑的VCSEL對應的 (a)輸出功率-電流特性; (b) 電壓-電流特性; (c)閾值電流; (d)最大功率; (e)飽和電流;(f)閾值損耗功率Fig.6.(a) L-I characteristics; (b) V-I characteristics; (c) threshold currents; (d) maximum output powers; (e) roll-over currents;(f) threshold power consumption of VCSELs with varied oxide apertures.

圖7 (a)為不同氧化孔徑的VCSEL對應的斜率效率隨注入電流的變化曲線， 其對應的最大斜率效率被提取在圖7(b)中.其中， 氧化孔為10 μm的VCSEL對應的峰值斜率效率最高， 達到1.12 W/A，其他氧化孔徑的峰值斜率效率也能達到1.05 W/A以上.這說明實驗制備的VCSEL具有較高的斜率效率， 與外延設計的預期結果相符.不同氧化孔下的PCE隨注入電流的變化曲線如圖7(c)所示， 隨著注入電流的增大， PCE的變化呈現先快速增大，達到峰值后緩慢下降的趨勢.可以發現， 氧化孔徑越大， PCE達到峰值后隨注入電流的下降速度越緩慢.不同氧化孔徑下的VCSEL的最大PCE的值處于42.2%—44.8%范圍內.其中， 氧化孔為10 μm時， VCSEL的峰值PCE最大， 為44.8%.即使在氧化孔徑為18 μm時， 仍然可以得到42.2%以上的PCE， 如圖7(d)所示.可以看出， 研制的905 nm VCSEL器件具有非常高的PCE.高PCE的905 nm VCSEL對于高性能激光雷達的應用具有重要意義.可以觀察到， PCE隨氧化孔徑的變化趨勢與斜率效率隨氧化孔徑的變化趨勢基本一致， 驗證了前文中的結論， 即斜率效率對PCE的貢獻最大.

圖7 測試的不同氧化孔徑的VCSEL的 (a)斜率效率; (b)提取的最大微分斜率效率; (c) PCE; (d)提取的最大PCE的值Fig.7.Measured (a) slope efficiency; (b) extracted maximum differential slope efficiency; (c) PCE and (d) extracted maximum PCE for VCSELs with varied oxide apertures.

通過測試不同氧化孔徑下的VCSEL的遠場和光譜圖案.圖8所示為注入10倍閾值電流的結果.當氧化孔徑為6 μm， 注入電流為2.5 mA時，遠場光強分布較為均勻， 此時1/e2處對應的發散角為18.8°.從激射的光譜圖中可以看到， 此時僅有3個峰值， 分別為901.22， 901.8和902.5 nm.當氧化孔徑為10 μm， 注入電流為6.9 mA時， 遠場中心強度相對于邊緣位置變弱， 呈現類似于環狀分布， 此時的發散角為23.5°.激射的光譜圖中出現多個峰值， 且每個峰值的間距變小， 這是由于大氧化孔徑下會有更多的高階模式激射的結果， 成為導致發散角增大的主要因素.當氧化孔徑為14 μm和18 μm時， 遠場圖的中心強度變得更弱， 發散角也變的更大， 分別為25.5°和28.0°， 這是由于更多的模式激射以及電流注入不均勻造成的.此時的光譜出現更多的峰值， 并且間隔變得更小.可以得出，隨著氧化孔徑的增大， 遠場發散角變大， 遠場中心強度變弱， 光譜寬度變大， 各橫向模式間隔變小.雖然大氧化孔徑可以得到更高的輸出功率， 但光譜和光束質量會變差， 因此在實際應用中需要在諸多因素中權衡考慮.

4 結 論

成功設計并制備出具有高PCE的905 nm垂直腔面發射激光器(VCSEL).探究了氧化孔徑對光功率、閾值電流、斜率效率、PCE、遠場和光譜特性的影響.論證了斜率效率是影響VCSEL PCE的主要因素， 給出了獲得高功率轉換效率的設計方法.在10 μm氧化孔徑下， 得到的905 nm VCSEL的最大PCE達到44.8%.此外， VCSEL遠場發散角和光譜線寬均隨氧化孔徑的增大而增大.當氧化孔徑增大時， 更多的高階模式激射導致遠場發散角會增大， 模式間隔會減小.因此， 在實際的應用中，需根據VCSEL器件的應用場景對器件結構和外延進行特定的設計和優化.

圖8 不同氧化孔徑的VCSEL的遠場和光譜Fig.8.Far-field and spectra of VCSELs with different oxide apertures.