高功率密度多結級聯905 nm 垂直腔面發射激光器*

潘冠中 荀孟 趙壯壯 孫昀 蔣文靜 周靜濤 吳德馨

(中國科學院微電子研究所,北京 100029)

本文針對激光雷達等三維傳感應用,設計并制備了905 nm 波長的高功率密度5 結級聯垂直腔面發射激光器(vertical cavity surface emitting laser,VCSEL).制備的5 結級聯VCSEL 單管(氧化孔徑8 μm)的功率轉換效率高達55.2%;其最大斜率效率為5.4 W/A,約為相同孔徑單結VCSEL 的5 倍.窄脈沖條件下(脈沖寬度為5.4 ns,占空比0.019%),5 結級聯19 單元VCSEL 陣列(單元孔徑20 μm)的峰值輸出功率達到58.3 W,對應的峰值功率密度高達1.62 kW/mm2.對不同孔徑器件(8—20 μm)的光電特性進行了測試和分析.結果顯示,這些器件的最大斜率效率均大于5.4 W/A,最大功率轉換效率均大于54%.這些高性能VCSEL 器件可作為激光雷達等三維傳感應用的理想光源.

1 引言

近年來,三維(three dimensional,3D)傳感技術在消費電子、醫療、工業等領域的應用越來越重要[1].傳統的圖像傳感技術依賴環境光,在昏暗的環境下和光束直接照射的情況下性能較差.3D 傳感技術不僅可以克服環境光的干擾,而且能夠采集深度信息,實現環境分析,具有更高的安全性和準確性[2].因此,3D 傳感技術已經被廣泛應用到人臉識別、激光雷達、機器人等諸多應用場景.

在3D 傳感技術中,紅外光源作為光發射器,是必不可少的元件.常用的紅外光源主要包括紅外發光二極管(infrared light emitting diode,IR LED)[3],半導體邊發射激光器(edge emitting laser,EEL)[4]和垂直腔面發射激光器(vertical cavity surface emitting laser,VCSEL)[5].由于IR LED 發射的是非相干光,其發散角較大,且光譜較寬(約30—40 nm),與之匹配的濾波器帶寬較大,導致大量環境光進入到探測器中,造成信噪比降低.與IR LED 相比,EEL 和VCSEL 都是相干光源,具有較窄的光譜(大約幾個nm),從而可以獲得較高的信噪比.相對于傳統的單結低功率VCSEL,EEL 在功率轉換效率(power conversion efficiency,PCE)、人眼安全、以及遠程測距等方面更有優勢,是目前激光雷達的主流光源.但是,EEL 的制備和封裝工藝較為復雜,且無法在片測試,制備成本較高.與EEL 平行于襯底出光不同,VCSEL 垂直于襯底出光,不僅可以實現在片測試,而且可以容易集成二維陣列,通過控制陣列單元數目就可以實現出光功率的縮放,對優化輸出功率提供了很大的靈活性.此外,VCSEL 還具有高可靠性、低制造成本、圓形光斑、溫度穩定性高等優勢.因此,VCSEL 越來越受重視,并正在逐漸成為激光雷達等3D 傳感應用的首選光源[6-11].

然而,由于傳統VCSEL 的增益區域較短,VCSEL 單管的輸出功率通常小于EEL 單管的輸出功率.在許多3D 傳感應用中,特別是中遠程激光雷達,高峰值脈沖功率、高功率密度和高功率轉換效率是對光源的基本要求.通常,將VCSEL 單管的出光孔徑增大,或將多個VCSEL 單管集成到一個陣列中,通過增加陣列發光單元的數目,來提高輸出功率[12].但這些方法會增大VCSEL 器件的發光面積,不僅會降低光功率密度,且會對后期的光束準直帶來困難.

相比于傳統的單結VCSEL 器件,多結級聯VCSEL 在外延生長過程中,將多個有源區在同一個諧振腔內通過隧道結串聯起來,從而可以獲得較大的增益[13].在不增加芯片面積的情況下,多結級聯VCSEL 的光輸出功率相對于同孔徑單結VCSEL 的輸出功率呈倍數提升,不僅可以獲得較高的功率密度,而且能夠大大地提高VCSEL 器件的PCE.此外,增益的提高可以降低多結VCSEL的工作電流,從而減小驅動電路的功耗和成本,也可以實現電壓和電流的折中優化以提高驅動電路的兼容性.

目前,多結級聯技術已廣泛應用在邊發射半導體激光器中.Muller等[14]于2007 年提出了激射波長為940 nm 的3 結級聯激光器,在脈沖電流下(脈沖寬度100 μs,占空比1%)得到的最大輸出功率為615 W,斜率效率為3.38 W/A.Boucher等[15]于2009 年提出了1550 nm 長波長的3 結級聯激光器,峰值輸出功率大于37 W,斜率效率是單結激光器的2.5 倍.多結級聯VCSEL 的相關研究主要集中在20 世紀末和21 世紀初.Kotaki等[16]在1984 年最先提出了波長1.22 μm 的雙結級聯VCSEL,其閾值電流相比于單結器件減小了1.4—2.5 倍.Schmid等[17]于1998 年在多結級聯VCSEL中實現了大于100%的微分量子效率.隨后,該課題組在2001 年實現了3 結級聯VCSEL,在9 mA的電流下得到7.2 mW 的輸出功率,微分量子效率達到130%,功率轉換效率為16%[18].Kim等[19]開展了關于1.55 μm 的多結級聯VCSEL 的研究,設計的3 結VCSEL 在脈沖條件下實現了大于100%的微分量子效率.近期,本課題組研制了雙結級聯905 nm VCSEL,斜率效率2.27 W/A,接近單結VCSEL 的2倍[20].如今,隨著中遠程激光雷達等應用對VCSEL 器件提出了更高的功率需求,許多VCSEL 制造商如Lumentum、Osram 等也加大了多結級聯VCSEL 的研發力度.

本文針對激光雷達等3D 傳感應用,設計并制備了905 nm 波長的高功率密度5 結級聯VCSEL器件,并對多結VCSEL 的設計、器件結構和輸出特性進行了詳細的分析和討論.

2 器件設計和制備

本文設計的5 結級聯VCSEL 器件的結構示意圖如圖1(a)所示,由實際器件圖中的A-A'方向截取得到.采用金屬有機物化學氣相沉積(metalorganic chemical vapor deposition,MOCVD)首先在GaAs 襯底上生長40 對N 型Al0.12Ga0.88As/Al0.9Ga0.1As 分布布拉格反射鏡(N type distributed Bragg reflectors,N-DBRs).接著,在N-DBRs上方外延生長5 個有源區,每個有源區包含3 對6 nm 厚的In0.12Ga0.88As 量子阱層和8 nm 厚的Al0.3Ga0.7As 勢壘層.有源區之間通過厚度為25 nm的重摻雜GaAs 隧道結連接起來.需要注意的是,由于隧道結摻雜濃度很高,為了減小隧道結的光吸收損耗,需要將隧道結置于駐波場的波節上;而為了增大光增益,需要將量子阱放置在駐波場的波腹處,如圖1(b)所示.每個有源區上方均放置一層Al0.98Ga0.02As 高鋁組分層,利用濕法氧化將其外圍氧化為絕緣的AlOx,就可以將每個有源區的注入電流限制在氧化孔內,從而減少電流擴展,提高器件的微分量子效率.濕法氧化的條件如下: 爐溫420 ℃,N2流量0.95 L/min,水溫95 ℃.待整個有源區生長完成后,在其上方生長15 對P 型Al0.12Ga0.88As/Al0.9Ga0.1As 分布布拉格反射鏡(P type distributed Bragg reflectors,P-DBRs),最后外延生長歐姆接觸層.

圖1 (a) 5 結級聯VCSEL 的結構示意圖,插圖為制備得到的實際器件;(b) 駐波場中量子阱和隧道結的位置示意圖Fig.1.(a) Schematic diagram of five-junction cascade VCSEL structure,the inset is the top view of a fabricated device;(b) position diagram of quantum well and tunnel junction in standing wave.

器件的制作過程如下.首先,在出光孔外圍制作環形Ti/Pt/Au 歐姆接觸P 電極.然后,采用感應耦合等離子體(inductive coupled plasma,ICP)刻蝕至N-DBR,將VCSEL 臺面所有的高鋁層暴露出來.接著,采用濕法氧化法將高鋁層外圍氧化,形成氧化孔.接下來,在P 電極上方電鍍3 μm 厚金,改善橫向散熱,有利于提高器件的溫度特性.然后,將襯底減薄至150 μm,并在其表面蒸發AuGeNi/Au 形成N 型電極.最后,對器件進行快速熱退火,形成良好的歐姆接觸.為了更好地分析5 結級聯VCSEL 的光電性能,不僅制備了不同孔徑的器件,同時還采用相同的工藝制備了905 nm單結VCSEL 器件作為對比.該單結VCSEL 器件除了需要較多的P-DBR 對數(18 對)來保證正常激射,其外延層組分、器件結構和制備工藝均和5 結級聯VCSEL 器件相同.

3 實驗結果及討論

在室溫連續(continuous wave,CW)條件下,8 μm 氧化孔徑的5 結級聯VCSEL 單管的光功率-電流(light-current,L-I)特性、電壓-電流(voltagecurrent,V-I)特性、功率轉換效率(PCE)、以及光譜如圖2(a)—(d)所示.相同孔徑的單結VCSEL的測試特性曲線也呈現在圖中作為對比.從L-I特性曲線可以發現,5 結VCSEL 和單結VCSEL 的閾值電流分別為0.6 mA 和0.8 mA,相應的P 型DBR 的對數分別為15 對和19 對.雖然5 結VCSEL的P-DBR 對數少,但是由于5 個有源區級聯可以大大提高光增益,從而減小了器件閾值.單結VCSEL和5 結級聯VCSEL 的飽和功率分別為18.3 mW和33.5 mW.在線性區域內,相同電流下5 結VCSEL 的輸出功率是單結的5 倍以上.例如當注入電流I=4 mA 時,單結VCSEL 輸出功率只有3.4 mW,而5 結級聯VCSEL 輸出功率為18.1 mW,是單結功率的5.3 倍.另外,單結VCSEL 的最大斜率效率只有1.1 W/A,而5 結級聯VCSEL 的最大斜率效率為5.4 W/A,是單結斜率效率的近5 倍.除此之外,當輸出功率均為10 mW 時,單結VCSEL 需要的驅動電流為10 mA,而5 結級聯VCSEL 需要的驅動電流僅為2.4 mA,這有益于減小驅動電路的功耗和成本.

圖2 氧化孔徑8 μm 的5 結VCSEL 與單結VCSEL 在室溫CW 條件下的測試結果 (a) L-I 曲線;(b) V-I 曲線;(c) PCE-L 曲線;(d) 5 結VCSEL 在1 mA 下的光譜Fig.2.Measured results of 5-junction VCSEL and single junction VCSEL with 8 μm oxide aperture under CW condition at room temperature: (a) L-I curves;(b) V-I curves;(c) PCE-L curves;(d) spectrum of 5-junction VCSEL measured at 1 mA.

圖2(b)對比了單結VCSEL 和5 結級聯VCSEL的V-I特性.由于5 結級聯VCSEL 比單結VCSEL多了4 個有源區和4 個隧道結以及額外的一些匹配層,其開啟電壓要大于單結VCSEL 的開啟電壓.從圖2(b)可以發現,單結VCSEL 的開啟電壓只有1.54 V,而5 結級聯VCSEL 的開啟電壓高達6.89 V,但比其光子能帶電壓6.85 V 僅大了40 mV,沒有引入太多的額外電壓,證明隧道結的設計、摻雜濃度和生長質量較好.另外,從圖2(b)可以看出,5 結VCSEL 的串聯電阻約為157 Ω,大于單結VCSEL 的串聯電阻90 Ω.這也是因為在5 結VCSEL 內,多個有源區、隧道結和匹配層的存在,使串聯電阻增大.圖2(c)展示了兩種器件的PCE,單結的最大PCE 只有44.1%,且隨著功率的增大而迅速降低;5 結VCSEL 的最大PCE為55.2%,且在9—30 mW 區間均保持在50%以上,這意味著5 結VCSEL 可以在較大的功率下仍然保持較高的PCE,這對于實際應用是至關重要的.圖2(d)所示的是5 結VCSEL 在1 mA 時的光譜,其激射波長在905 nm 附近,符合預期設計.由于在8 μm氧化孔徑下,VCSEL為多橫模激射,因此在光譜圖中顯示為多個峰值.綜合上述測試結果,5 結級聯VCSEL 相對于單結VCSEL 器件,在功率、斜率效率及PCE 等方面具有較大的擴展能力,在許多大功率應用方面具有更大的優勢.

圖3 是在室溫下測得的單結VCSEL 和5 結級聯VCSEL 在不同耗散功率下的基模峰值波長的變化情況.耗散功率(Pdiss)定義為輸入功率減去輸出的光功率(Pout),Pdiss=I×V—Pout.其中,

I為工作電流,V為工作電壓.從圖3 可以發現,隨著耗散功率的增加,兩種器件基模光譜均發生紅移,且5 結VCSEL 紅移速率要比單結VCSEL紅移速率大.通過對測量數據進行線性擬合,可以得到5 結VCSEL 和單結VCSEL 隨耗散功率的紅移速率(Δλ/ΔPdiss)分別為0.1739 nm/mW 和0.1390 nm/mW.由于5 結VCSEL 和單結VCSEL量子阱材料、DBR 材料均相同,其基橫模光譜隨溫度的紅移速率Δλ/ΔT相同,均為0.0638 nm/℃[21].對于VCSEL 器件,其熱阻Rth的計算公式為Rth=ΔT/ΔPdiss=(Δλ/ΔPdiss)/(Δλ/ΔT).通過計算得到,5 結VCSEL 的熱阻為2.73 ℃/mW,單結VCSEL 的熱阻為2.18 ℃/mW.5 結VCSEL 的熱阻大于單結VCSEL 的熱阻,這是因為多個氧化層的引入,熱量更難向襯底和側向傳導.因此,對于多結VCSEL 器件,一般采用窄脈沖驅動方式來降低其內部產熱從而獲得較大的峰值輸出功率.

圖3 單結VCSEL 和5 結VCSEL 器件的基模光譜隨耗散功率的變化關系Fig.3.Variation of fundamental mode spectra of single junction VCSEL and 5-junction VCSEL devices with dissipated power.

接下來,在CW 條件下測試了8 μm 孔徑5 結級聯VCSEL 在不同環境溫度下的特性曲線,如圖4所示.顯然,器件輸出功率隨著環境溫度的升高而降低.當溫度為25 ℃時,器件的最大輸出功率為33.5 mW,器件閾值為0.6 mA.當溫度增加到85 ℃時,最大輸出功率降低到17.5 mW,閾值增大到1.0 mA.當溫度進一步增加到125 ℃時,器件依然能正常工作,最大功率超過6.0 mW,如圖4(a)所示.隨著溫度的增加,器件開啟電壓略微減小,如圖4(b)所示,這是由于溫度升高,本征載流子濃度升高,同時費米能級帶隙減小導致的.隨著溫度的增加,雖然器件的電壓略微減小,但由于器件的功率降低,且閾值增大,導致器件的PCE 隨著溫度的升高而下降,如圖4(c)所示.將不同溫度下器件的最大PCE 和最大SE 提取出來,如圖4(d)所示.隨著溫度的升高,器件的最大PCE 和最大SE都在下降.當溫度上升到85 ℃時,器件的最大PCE依然保持在42.7%,最大斜率效率仍大于4.3 W/A,展示出較好的溫度特性.

圖4 氧化孔徑8 μm 的5 結VCSEL 在不同溫度下的測試結果 (a) L-I曲線;(b) V-I 曲線;(c) PCE-I曲線;(d)最大PCE 和SE 隨溫度的變化Fig.4.Measured results of 5-junction VCSEL with 8 μm oxide aperture under CW condition at different temperatures: (a) L-I curves;(b) V-I curves;(c) PCE-I curves;(d) max PCE and SE versus temperature.

此外,在CW 條件下測試了不同孔徑的5 結級聯VCSEL 單管的光電特性,如圖5 所示.從圖5(a)所示的L-I曲線可以發現,隨著氧化孔徑從8 μm 增大到20 μm,器件的閾值從0.6 mA 增大到2 mA;器件的最大功率從33.5 mW 增大到70.2 mW.從圖5(a)中還可以看出,孔徑越大,器件的熱翻轉電流越大,這是因為大孔徑器件的有源區面積更大,電流密度更低.隨著孔徑增大,器件的最大PCE 沒有發生明顯變化,如圖5(c)所示.我們將不同孔徑器件的最大PCE 和最大SE 提取到圖5(d)中,可以發現,所有器件的最大斜率效率均大于5.4 W/A,最大PCE 均大于54%,展示出很好的性能均一性.

圖5 不同氧化孔徑5 結VCSEL 器件在室溫下 (a) L-I 曲線;(b) V-I 曲線;(c) PCE-I 曲線;(d) 最大PCE 和SE 隨孔徑的變化Fig.5.Measured results of 5-junction VCSELs with different oxide apertures under CW condition at room temperature: (a) L-I curves;(b) V-I curves;(c) PCE-I curves;(d) max PCE and SE versus oxide aperture.

最后,制備了19 單元5 結VCSEL 陣列,單元氧化孔徑為20 μm,制備得到的實際陣列及其尺寸如圖6(a)所示.整個陣列有源區的直徑為0.214 mm,陣列的總發光面積為0.036 mm2.測試了該19 單元VCSEL 陣列在窄脈沖條件下(脈沖寬度5.4 ns,占空比0.019%)不同驅動電路板電壓下的峰值輸出功率.圖6(b)是驅動電路板電壓為25 V 下測得的陣列光功率響應曲線,可以看出,脈沖寬度(半高全寬)為5.4 ns.圖6(c)展示了19 單元陣列的峰值輸出功率隨驅動板電壓的變化,可以發現,峰值功率隨著驅動板電壓先線性增大后趨近飽和,測得的最大峰值功率達到58.3 W,對應的最大峰值功率密度為1.62 kW/mm2.這種高峰值功率、高功率密度的多結級聯VCSEL 陣列在中遠距離激光雷達的應用中具有誘人的應用前景.

圖6 (a) 制備的19 單元5 結VCSEL 陣列的俯視圖和尺寸示意圖;(b) 驅動板電壓為25 V 下陣列的光功率響應曲線;(c) 19 單元陣列的峰值輸出功率隨驅動板電壓的變化Fig.6.(a) Structure and size diagram of the fabricated19-element 5-junction VCSEL array;(b) the optical power response curve of the array at driving circuit board voltage of 25 V;(c) peak output power of the array versus circuit board driving voltage.

4 結論

設計并制備了5 結級聯905 nm VCSEL 及其陣列,CW 條件下不同孔徑的器件最大斜率效率均大于5.4 W/A,最大PCE 均大于54%.窄脈沖條件下測試得到的19 單元5 結VCSEL 陣列的最大峰值功率達到58.3 W,峰值功率密度為1.62 kW/mm2.相對于單結VCSEL,5 結級聯VCSEL 在輸出功率、斜率效率及功率轉換效率等性能上具有較大的優勢.下一步我們會繼續增加VCSEL 的結數,以獲得更高的功率密度.另外,也需要解決多結VCSEL 的散熱問題,提高器件的可靠性.