长波长垂直腔面发射激光器研究

中国科学院半导体研究所 中国科学院大学材料科学与光电工程中心 传感器技术国家重点实验室 付登源 王栎皓 赵俊元

中国空空导弹研究院 航空制导武器航空科技重点实验室 赵松庆 吴根水 陈海燕

中国科学院半导体研究所 中国科学院大学材料科学与光电工程中心 传感器技术国家重点实验室 朱银芳 杨晋玲

近年来，垂直腔面发射激光器（VCSEL）由于其较低的阈值电流和垂直衬底表面出光的特性受到研究人员的广泛关注。长波长VCSEL在光通信和光互联领域具有巨大的潜在研究意义，本文从应用、发展现状、存在的技术问题、解决方法等方面采用有限元仿真对长波长VCSEL进行了分析，并进行了展望。

在实际装备系统性能测试环节中，虽然完全采用实物测试得到的数据反馈真实有效，但是由于测试环境千变万化，使得测试成本剧增。唯一的替代办法是提供仿真环境。仿真技术可以在实验室中模拟激光成像制导控制系统的工程状况，可以提高设计质量、减少飞行实验次数、降低装备系统研制成本、缩短研制周期，已成为激光成像系统优化设计和评估的必要手段。根据采用的模型不同，激光仿真可分为数学仿真、物理仿真和半实物仿真三类。其中半实物仿真将物理仿真和数学仿真相结合，既能得到比数学仿真更加真实有效的数据，又能完成物理仿真无法模拟的场景。半实物仿真系统能够应用于对激光成像仪、激光探测系统的测试和评估，其核心技术是动态激光图像生成技术，而激光成像发生器是激光动态图像生成技术的核心部件。基于微电子机械系统（MEMS）技术的垂直腔面发射激光器（VCSEL）具有响应速度快、易于阵列化、发射功率高、动态范围大等优点，将成为用于半实物仿真中激光成像发生器的主要发展方向。垂直腔面发射激光器（VCSEL）在阈值电流、使用寿命、大阵列集成等方面具有突出的优势。其中长波长的面垂直发射激光器在光通信、原子钟、医学检测及气体检测等方面具有独特的应用优势，所以对于长波长垂直腔面发射激光器的研究意义重大。

1 垂直腔面发射激光器的介绍

1.1 垂直腔面发射激光器的结构和原理

图1所示为VCSEL的结构模型图，从上到下结构上分别为P型电极、P型布拉格反射镜（P-DBR）、有源增益区、N型布拉格反射镜（N-DBR）、N型电极、衬底。相比于边发射半导体激光器，VCSEL的出光方向垂直于衬底表面，法布里珀罗谐振腔较短，为了达到出光条件，VCSEL中的DBR反射镜需要更高的反射效率（＞99%）。DBR反射镜的性能直接影响到VCSEL器件的阈值电流、输出功率等主要参数，现阶段主要由AlGaAs/GaAs材料逐层生长制成，每一层材料的光学厚度为中心波长的1/4。氧化限制孔夹在DBR反射镜与有源区之间，用于电场与光场限制。在靠近VCSEL器件有源区的上方和下方采用高Al组分的AlGaAs材料，放入高温潮湿环境下，利用湿法氧化工艺能够形成均匀致密的氧化层。有源区夹在P-DBR与N-DBR之间，VCSEL器件工作时会在有源区形成驻波，使得光子能量放大最后形成激射。为了形成驻波，有源区的光学厚度应为半波长的的整数倍。有源区量子阱的材料一般选用InGaAs/GaAsP材料体系，因为InGaAs一般会处于压应变状态，GaAsP可以提供应变补偿，解决了传统材料应变随激射波长的增加而增大的现象，还可以提供较高的增益。

图1 VCSEL器件结构模型图

1.2 垂直腔面发射激光器的优点

VCSEL由于垂直于衬底表面出光的特性相比于传统的边发射半导体激光器拥有很多独特的优势。一般边发射半导体激光器中的DBR反射镜反射效率只需达到60%即可形成激射，而VCSEL器件中的DBR反射镜反射率则需要达到99%以上，虽然增加了制成工艺的难度，但由于更高的反射率，VCSEL的阈值电流更低，大大降低了器件的功率和腔内损伤，提升了器件的使用寿命；并且由于VCSEL的出光方向，更适合二维阵列集成；结合MEMS工艺可以实现波长的调制功能，使得单一器件能够得到更多的应用；除此之外，VCSEL同时具有易与光纤耦合，光电转换效率高，能够与大规模集成电路耦合等独特优势。

1.3 长波长面垂直发射激光器的介绍

由于长波长VCSEL在远距离信息传输，光互联等方面具有重大的应用前景，具有非常重要的研究意义。现阶段840nm和980nm的VCSEL器件制造技术已经十分成熟，但是长波长VCSEL（1.3μm和1.55μm）的研制依旧困难重重。长波长VCSEL器件有源区材料的选择主要有两种——GaAs和InP。由于InP材料的折射率变化性差，导热性差，所以不能用于制作高反射率的DBR反射镜。为了解决这个问题，一般采用InP材料制成的有源区和GaAs制成的DBR反射镜通过熔融键合而成，但不适合大规模制造。而由GaAs材料制成的有源区可以实现整个VCSEL器件的单片生长，但由于应变的限制，GaAs基的VCSEL器件的光波长最高只能到达1200nm。为了得到更高波长的出射光，可采用GaAsSb/GaAs，GaAsSb作为应变补偿层。

2 垂直发射激光器的研究现状

1979年第一只波长为1.3μm的GaInAsP/InP的VCSEL研制成功，但无法在室温下运行，必须在液氮冷却和脉冲电流驱动下才能工作，阈值电流也高达800mA。随后对于长波长VCSEL器件的研制得到了更多的研究人员关注。

对1.3μm VCSEL的研究主要集中于有源区材料的选择，如GaInNAsSb/GaAs量子阱、InGaAlAs/InP量子点等。2002年，Henning Riechert等人使用MBE和MOVPE两种设备生长制作1.3μm VCSEL器件，其中使用MBE设备制成的VCSEL室温下的单模输出功率大于1mW，阈值电流为2.2mA，传输距离大于20.5km，传输速度的达2.5Gbit/s。使用MOVPE设备生长的VCSEL单模输出功率为1.4mW，阈值电流为1.25mA，传输速度达到10Gbit/s；A.Mereuta等人通过优化生长条件和一种谐振腔调谐技术，将波长产率提高到70%。在0-80℃的温度范围内，单模器件的阈值电流低于1mA，且工作电流小于7mA；时隔一年，该研究人员及团队通过选择性去除DBR反射层，调整GaAs基的DBR反射率来优化输出耦合，室温下单模功率达到6.8mW，80℃下也可以达到2.8mW，单模抑制比大于30dB。

对于1.55μm VCSEL器件的研制主要关注点是DBR反射镜和其他结构的设计优化上。2001年，I.Sagnes等人首次利用MOCVD生长设备研制出InP/AlGaInAs材料体系的VCSEL器件，仅生长40对四分之一波长的DBR材料反射率即可达到99.96%，较之前的研究结果，反射镜的厚度减小了25%，同时大大降低了由DBR反射镜材料堆叠造成的串联电阻的阻值；2009年，Werner Hofmann等人通过减少1.55μm VCSEL腔内的器件寄生，并设计高应变有源区，调制速度可达22Gbit/s，同时在85℃下数据传输速度仍然可以达到12.5Gbit/s。

上世纪90年代，VCSEL器件传入国内，引起了国内研究人员的兴趣，虽然起步较晚，但半导体激光器产业在国内发展迅猛。国内VCSEL器件的发展主要集中于840nm和980nm波长范围内。目前，中科院半导体研究所，中科院长春光学精密机械与物理研究所，长春理工大学，北京工业大学等在研究VCSEL，在器件的材料外延生长、芯片制造及器件封装方面掌握了部分核心科技。但是针对与长波长的VCSEL器件的研制却少之又少。2018年，中国科学院半导体研究所的刘丽杰，吴远大等人在InP衬底上设计了1550nm的长波长VCSEL器件，室温下阈值电流为30mA，最大输入功率为270mW。

3 长波长面垂直发射激光器发展的难点

长波长VCSEL的DBR材料选择主要有两种——InP/InGaAsP和GaAs/AlAs。其中InP/InGaAsP材料可以利用外延的方式和InP基衬底晶格相匹配，但是这两种材料的折射率差较小，为了达到足够高的反射率需要更多的材料层对数，给外延生长造成较大的困难。同时InP/InGaAsP材料体系热传导性较差。GaAs/AlAs材料体系折射率差较大，与InP/InGaAsP相比，DBR反射镜的厚度较小，且具有优良的热传导性，所以GaAs/AlAs材料体系是长波长VCSEL器件DBR反射镜材料选择的首选。但GaAs/AlAs材料体系与InP基衬底之间晶格失配较大，很难通过外延生长制作单片VCSEL器件。由于空穴的迁移率小于电子的迁移率，P-DBR反射镜的电阻基本决定了串联电阻的大小。P型材料的电阻过大会导致VCSEL器件发热严重，影响整个器件的发光性能。除此之外，在长波长波段内，P型材料的价带内带间吸收严重，不利于器件工作。

为了解决上述问题，可以采用熔融键合的方法将GaAs/AlAs材料体系和InP基衬底相键合或采用掩埋隧道结结构。在掩埋隧道结结构中使用N型材料氧化限制层和DBR反射镜替代原P型材料氧化限制层和DBR反射镜。这大大减小了整个VCSEL器件的串联电阻，增大了电光转换效率，降低器件的发热，并且提高了电流注入的均匀性和光学吸收损耗。

4 1064nmVCSEL仿真设计

VCSEL的核心结构有上层DBR反射镜，量子阱有源层和下层DBR反射镜。DBR反射镜一般由多周期的高反射膜堆叠而成，每层材料的厚度为λ/4。由于VCSEL器件的腔室较短，所以DBR反射镜需要较高的反射率（＞99%）。然而DBR反射镜又是VCSEL器件的主要热源，器件温度过高会严重制约器件的性能，所以DBR反射镜的设计对整个VCSEL器件的阈值特性以及频率响应特性都有着重要的影响。DBR反射镜是有高反射率（n1）材料和低反射率（n2）材料堆叠制成，且两种材料反射率差值越大，堆叠层数越多，整体DBR反射镜的反射率越大，设计的每一层材料的厚度可由式(1)、式(2)得到：

图2 VCSEL器件材料层及厚度

图3 VCSEL器件DBR反射镜反射率仿真结果

根据目标波长为1064nm，结合式(1)、(2)可以计算得到DBR结构的材料成分Al0.88Ga0.12As的单层厚度为89.1nm，GaAs的单层厚度为76.5nm。图2所示为设计的VCSEL器件的结构以及每层材料的厚度的示意图。

使用有限元仿真软件对不同材料堆叠对数的DBR的反射率进行仿真，图3所示为仿真结果。仿真结果表明，叠层对数较少时，反射率较低，且通带与其他模态峰相近。N=20时能达到99.5%以上的反射率。DBR反射层数继续增多时，将会带来生长中应力积累而出现晶格失配影响外延层质量，且较厚的DBR结构也会引入较大的串联电阻，产热增多，影响输出功率。

有源区材料选择为InGaAs/GaAs应变量子阱材料，其中InGaAs材料作为势阱，GaAs材料作为应变补偿势垒层。带隙宽度与波长的关系为式(3)所示：

对于1064nm波长，量子阱InxGa1-xAs材料的带隙计算结果为1.167eV。室温下InxGa1-xAs阱层材料的非应变带隙表达式为式(4)所示：

考虑应变对量子阱带隙的影响，选用InxGa1-xAs材料In的组分为0.25，故采用In0.25Ga0.75As/GaAs(8nm/6nm)作为有源层材料。

5 结论

本文从VCSEL器件结构原理、长波长VCSEL器件的应用、发展现状、存在的问题及解决方法等问题进行了研究。长波长VCSEL在远距离信息传输，光互联、光并行处理，光识别系统及气体检测等方面具有重大的应用前景。希望将来国内外的研究人员能够在长波长VCSEL领域取得长足的进步，实现商品化。