940 nm 垂直腔面发射激光器的设计及制备

于洪岩 尧舜† 张红梅 王青 张杨 周广正 吕朝晨 程立文 郎陆广 夏宇 周天宝 康联鸿 王智勇 董国亮

1) (北京工业大学激光工程研究院,北京 100124)

2) (华芯半导体科技有限公司,泰州 225300)

3) (扬州大学物理科学与技术学院,扬州 225002)

(2018 年10 月9 日收到; 2018 年11 月23 日收到修改稿)

利用PICS3D 计算得到InGaAs/GaAsP 应变补偿量子阱的增益特性,得到量子阱的各项参数,再通过传输矩阵理论和TFCalc 膜系设计软件分别仿真出上下分布式布拉格反射镜的白光反射谱. 采用金属有机化合物气相沉积技术外延生长了垂直腔面发射激光器结构,之后通过干法刻蚀、湿法氧化以及金属电极等芯片技术制备得到8 μ m 氧化孔径的VCSEL 芯片. 最终,测试得到其光电特性实现室温下阈值电流和斜效率分别为0.95 mA 和0.96 W/A,在6 mA 电流和2 V 电压下输出功率达到4.75 mW,并测试了VCSEL 的高温特性.

1 引 言

从940 nm 半导体激光器研制以来,有很多研究者专注于高功率和高亮度的研究. 2007 年,Fiebig等[1]实现了940 nm 半导体激光器超过100 W 的准连续输出. 2011 年,Berk 等[2]研制了940 nm 半导体激光器抽运的准连续激光器,实现200 W 的输出功率. 然而,近年来由于三维(3D)摄像头的迅速发展,940 nm 垂直腔面发射激光器(verticalcavity surface-emitting laser,VCSEL)成为了新的研究热点[3,4]. 940 nm VCSEL 由于具有转换效率高、斜效率高、易于集成及分辨率高和避免红暴的特性成为了3D 摄像头的理想光源,并有望被应用到虚拟现实、增强现实及汽车辅助驾驶中. 多样的应用需求吸引了更多的研究者投入到VCSEL的研究中,其中一些公司例如Avago,Finisar,Princeton Optronics 和Lumentum 已经积累了大量的VCSEL 方面的专利[5−8]. 尤其是Princeton Optronics 公司,一直在940 nm VCSEL 方面处于领先地位,已经达到了室温下斜效率1.1 W/A. 在国外高校中,乌尔姆大学以及查尔姆斯理工大学在VCSEL 领域也做了大量的研究[9−12]. 在国内,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所在大功率980 nm VCSEL 方面取得了突出成果[13−15],北京工业大学在高速850 nm VCSEL 方面也积累了大量的经验[16−19]. 但目前国内940 nm VCSEL的研究还处于萌芽状态,相对于应用在光通信的850 nm VCSEL 来说,由于波长的增加,需要In含量更多的阱层材料以减小禁带宽度,实现940 nm波长的光输出,从而导致失配更加严重. 因此必须对量子阱进行改进设计,以满足940 nm VCSEL的应用需求. 而相对大功率的980 nm VCSEL 而言,940 nm VCSEL 的氧化孔径要小几十分之一.所以综上所述,需要对940 nm VCSEL 的外延结构进行改进设计以制作得到VCSEL 芯片.

基于940 nm VCSEL 的不同应用要求,斜效率成为了最为重要的指标之一. 本文中,有源区采用InGaAs/GaAsP 应变补偿多量子阱(MQWs),相较普遍采用的InGaAs/AlGaAs MQWs,应变补偿MQWs 由于应变补偿的作用具有以下两个优点; 第一,可以生长In 含量更大的阱层材料,以提高MQWs 的微分增益和满足更高的工作温度要求; 第二,可以生长更多对数的MQWs 以提高VCSEL 的光功率. 通过PICS3D 对MQWs 增益特性进行计算,以得到合适的量子阱中In 的组分、阱层厚度及势垒中P 的组分和垒层厚度. 分布式布拉格反射镜(DBRs)由高低折射率的两种材料堆叠组成,并且在两种材料交界处加入渐变层以减小两种材料间的势垒尖峰,从而达到减小DBRs 的串联电阻的作用,DBRs 的反射率可达到99%以上. DBRs 的反射谱由TFCalc 软件进行仿真计算.根据仿真结果,通过金属有机化合物气相沉积(MOCVD)对MQWs 和DBRs 进行生长,在对这两部分优化生长后再对VCSEL 全结构进行生长,并通过芯片工艺制备得到VCSEL 芯片.

2 设计及生长MQWs 和DBRs

有源区作为VCSEL 的核心区域可以将电输入转化为光输出,激光的激射波长、功率、阈值和斜效率都受有源区参数的影响. MQWs 的峰值增益波长与VCSEL 全结构白光反射谱的腔模凹陷相对应,否则可能导致不激射. 由于VCSEL 工作时会导致温度上升出现波长红移现象,所以将MQWs 的峰值增益波长设计为928 nm. 有源区由5 对应变补偿量子阱组成,其中阱层为4.4 nm 的In0.16Ga0.84As,垒层为6.2 nm 的GaAs0.88P0.12,在300 K 下,计算得到阱层材料的压应变量为1.1%,垒层材料的张应变量为–0.4%,在应变补偿的作用下其应变量为0.7%[20,21]. 光功率可以通过增加量子阱对数的方法得到提高,但是应力作用会限制生长量子阱的临界厚度,而应变补偿量子阱可以在一定程度上增加其临界厚度,以生长相对更多的量子阱. 通过PICS3D 模拟的MQWs 增益谱如图1 所示,其峰值增益波长在928 nm 附近. 利用MOCVD对MQWs 进行外延生长,并通过光致发光光谱仪测得MQWs 的光致发光(PL)光谱(激光光源为532 nm 的Nd:YAG 激光器)如图2 所示,可知其PL 峰值波长在927.9 nm 附近,与PICS3D 模拟的峰值增益波长匹配完好,半高全宽(FWHM)为17.1 nm 左右,说明MQWs 的生长质量较好. 图3为高分辨率X 射线衍射(HRXRD)曲线,MQWs的周期厚度可以通过以下方程进行计算:其中λ为X 射线(Cu 靶)波长,θ为衍射峰角度.根据(1)式可计算得到外延生长MQWs 的周期厚度为10.858 nm,与设计的周期厚度匹配程度较好.

图1 MQWs 材料增益特性曲线Fig. 1. Material gain characteristics curve of MQWs.

图3 MQWs HRXRD 曲线Fig. 3. The HRXRD curve of MQWs.

位于谐振腔两侧的分别为n-和p-DBRs,由于VCSEL 的谐振腔腔长较短,通过采用DBRs 结构作为反射镜可以获得高反射率,并起到减小腔镜损耗的作用. n-DBRs 由28 对AlAs/Al0.12Ga0.88As和3.5 对Al0.90Ga0.10As/Al0.12Ga0.88As 组成,位于谐振腔的下侧,p-DBRs 由23 对Al0.90Ga0.10As/Al0.12Ga0.88As 组成,位于谐振腔的上侧. 为降低DBRs 的串联电阻,n-和p-DBRs 的各层材料之间均插入20 nm 的渐变层,每层材料和渐变层的光学厚度之和为λ/4(λ=940 nm). AlxGa1–xAs 材料的折射率n由以下方程计算得到[20]:

其中

在此方程中AlxGa1–xAs 的室温常量为:λ是波长,h=6.626·10–34J·s 是 普 朗 克 常 数,c=2.998×108m/s 是真空中光速,hc/λ是光子能量;

通过计算可得,在940 nm 波长下Al0.12Ga0.88As,Al0.90Ga0.10As 和AlAs 的折射率n分别为3.4795,3.0342 和2.9761; Al0.12Ga0.88As,Al0.90Ga0.10As 和AlAs 的物理厚度为67.54,77.45和78.96 nm. 由于有20 nm 渐变层的插入,为保持高低折射率材料和渐变层的光学厚度之和为λ/4 ,Al0.12Ga0.88As,Al0.90Ga0.10As 和AlAs 的物理厚度应分别减小18.64,21.37 和21.70 nm.

DBRs 的反射谱可以由以下传输矩阵进行计算[22,23]:

其中右侧第一个矩阵为第j层的特性矩阵,δj和ηj分别为相位厚度和光学导纳;ηk+1为出射介质的光学导纳. 当光垂直入射时,δj和ηj可表示为

其中λ为入射波长;nj,αj和dj分别为第j层的折射率、吸收系数以及物理厚度. 反射率R可以通过以下方程计算得到:

图4 为p-和n-DBRs 的PL 反射谱(白光光源)的模拟和实验结果,中心波长为938.7 nm,并且p-和n-DBRs 的反射率分别约为99.0%和99.7%. 模拟结果和实验结果高度符合.

图4 (a)p-DBRs PL 反射谱; (b) n-DBRs PL 反射谱Fig. 4. (a) The PL reflection spectra of p-DBRs; (b) the PL reflection spectra of n-DBRs.

3 VCSEL 的制备与测试结果

图5 为VCSEL 的结构示意图,Spacer 层位于有源区的两侧,氧化层为Al0.98Ga0.02As. 顶部的p 型接触层和底部的缓冲层均为GaAs. 实验使用的为美国Veeco 公司生产的K475i 型MOCVD 设备. VCSEL 外延结构生长在4 寸GaAs 衬底上.图6 为VCSEL 外延片的PL 白光反射谱,其F-P腔模波长为939.5 nm. 在外延生长之后,通过干法刻蚀、湿法氧化、金属电极等工艺制备得到了VCSEL 芯片. 在干法刻蚀过程中,使用BCl3和Cl2将台面刻蚀,刻蚀深度约为3500 nm. 在湿法氧化过程中,首先将氧化炉提前加热15 min,随后在425 ℃下用200 sccm (1 sccm =1 mL/min)的氮气进行氧化,氧化速率为0.40 μ m/min ,氧化孔径大小为8 μ m . 在金属电极工艺中,将AuGeNi合金溅射到VCSEL 顶层制备得到p 型欧姆接触层,而Ti/Pt/Au 被蒸镀到衬底的背面制备得到n 型欧姆接触层,随后在氮气氛围下在350 ℃下进行快速退火形成良好的欧姆接触. 图7 为VCSEL的台面和氧化层SEM 照片,可以清楚地看到刻蚀台面情况及氧化层的氧化深度. VCSEL 芯片金相显微镜照片如图8 所示,芯片为异面电极结构,其中氧化孔径为8 μ m (红外光源电感耦合器件(CCD)可见).

图5 VCSEL 结构示意图Fig. 5. Schematic diagram of VCSEL structure.

图6 VCSEL 白光反射谱Fig. 6. White light illuminant reflection spectrum of VCSEL.

生长完成的外延片被分为两个区域进行光电特性测试,如图9 所示. 根据实验经验,生长过程中的误差会导致边缘区域误差相对更大,所以区域1 的光电特性相对更好,而区域2 则代表了外延片上的平均水平. 这里选择区域1 中的5 颗VCSEL芯片进行L-I-V测试. 测试结果如图10 所示,这5 颗VCSEL 芯片有很好的一致性,室温下阈值电流为0.95 mA,斜效率为0.96 W/A,在6 mA 和2 V工作条件下其输出功率达到4.75 mW.

图7 VCSEL 台面和氧化孔径图片Fig. 7. The SEM image of VCSEL mesa and oxide aperture.

图8 VCSEL 金相显微镜图片Fig. 8. Microscopy image of VCSEL chip.

图9 VCSEL 外延片区域示意图Fig. 9. Diagrammatic of VCSEL wafer.

图10 VCSEL 区域1 的L-I-V特性Fig. 10. TheL-I-Vcharacteristics of VCSEL in area 1.

在区域2 中选取一颗VCSEL 芯片进行测试,图11 所示为该芯片室温下不同电流下的光谱图,激射波长为944.5 nm. 在不同电流下其FWHM 均保持在1 nm 左右.

图11 室温下不同电流的光谱图Fig. 11. Emission spectra for VCSELs at various injection current at room temperature.

图12 VCSEL 的L-I-V特 性 曲 线 (a)光 功 率 特 性;(b)电压电流特性; (c)阈值电流和斜效率随温度变化Fig. 12. TheL-I-Vcharacteristics of VCSELs at various temperature: (a) Output power versus injection current;(b) voltage versus injection current; (c) the evolution of the threshold current and slope efficiency as a function of temperature.

图13 VCSEL 远场光斑与发散角Fig. 13. Far field spot and divergence angle of VCSEL.

图12 为区域2 中940 nm VCSEL 的变温LI-V特性曲线. 在0—40 ℃温度区间,阈值电流一直保持在1 mA,在50 和60 ℃阈值电流增加到1.2 mA,在80 ℃时,其阈值电流为1.9 mA. 斜效率在25 ℃时最大,为0.81 W/A,在0—50 ℃期间变化不明显,在80 ℃时,斜效率最低,为0.57 W/A.在光功率方面,在0,25,80 ℃时,分别为3.588,3.850 和2.323 mW. 在0—50 ℃时由于采用应变补偿量子阱的原因使得电子很好地限制在量子阱中,使得阈值电流、斜效率以及光功率变化很小.但是随着温度的不断提高,可以发现在80 ℃时各项参数衰减严重,主要原因是量子阱中电子获得能量泄漏,导致微分增益下降,并且在高温下其DBRs 反射镜的反射率有一定下降,并且损耗加大,最终导致了其各项参数的降低. 图13 为VCSEL在6 mA 工作电流下的远场光斑与发散角,可以看出为对称高斯光束输出,发散角为18.563°.

4 总 结

本文研制了以InGaAs/GaAsP 应变补偿量子阱 作 为 有 源 区 的940 nm VCSEL,通 过 自 主MOCVD 外延和芯片制备工艺得到VCSEL 芯片.在室温下,其斜效率和阈值电流分别为0.96 W/A和0.95 mA,在6 mA 和2.0 V 工作条件下光功率达到4.75 mW. 测试了同一片外延片的其他区域的VCSEL 芯片的变温特性,阈值电流和斜效率在0—50 ℃范围内变化不明显,在高温80 ℃时,阈值电流和斜效率分别为1.9 mA 和0.57 W/A,光功率为2.323 mW. 未来,通过改进工艺,以及优化关键参数会制备得到斜效率更大的VCSEL 芯片,以满足各类应用场景的需求.