高功率转换效率905 nm垂直腔面发射激光器的设计与制备*

赵壮壮 荀孟 潘冠中 孙昀 周静涛 王大海 吴德馨

(中国科学院微电子研究所， 北京 100029)

通过对影响垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser， VCSEL)的功率转换效率的因素进行理论分析， 得出斜率效率是影响功率转换效率的主要因素的结论.为获得高功率转换效率， 通过对有源区量子阱、P型和N型分布布拉格反射镜(DBR)等进行优化， 设计出了905 nm VCSEL的外延结构并进行了高质量外延生长.成功制备出了不同氧化孔径的905 nm VCSEL器件， 获得的最大斜率效率为1.12 W/A， 最大转换效率为44.8%.此外， 探究了氧化孔径对VCSEL的远场和光谱特性的影响.这种具有高功率转换效率的905 nm VCSEL器件为激光雷达的小型化、低成本化提供了良好的基础数据.

1 引 言

垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser， VCSEL)具有许多优异的特性， 如圆形光斑、低阈值、单纵模、高速调制、波长温漂小、易于二维集成等[1-5]， 已在数据通信， 短距离光互连中得到了广泛的应用[6-10].近年来， 随着手机3D传感、虚拟与现实、手势识别等技术的兴起，VCSEL在消费电子市场迅速崛起， 并呈现逐年增长的态势.另外， 在距离探测、自动驾驶等领域， 高精度、小体积的激光雷达成为必不可少的关键部件.其中， 905 nm的半导体激光器成为激光雷达的主流核心光源， 这是因为空气中的水蒸汽对905 nm波段附近的激光具有较小的吸收.此外， 905 nm波段可以与成熟廉价的Si探测器以及具有高响应度的雪崩二极管探测器(APD)匹配.在激光雷达中应用时， VCSEL相对于边发射激光器具有非常明显的优势.首先， VCSEL可以发射出圆形光斑， 这使后期的光学准直变得相对容易.而边发射激光器的出射光是椭圆形光斑， 在水平和垂直方向会造成分辨率的不同.其次， VCSEL的激射波长温漂小，通常为0.065 nm/℃， 远小于边发射激光器的温漂0.3 nm/℃， 这在实际应用时是非常关键的.由于VCSEL温漂小， 可以采用窄窗口的滤波片， 防止更多的杂光进入探测端， 从而大大提高信噪比.另外， VCSEL可实现完整的片上制备流程和在片测试， 可以降低生产成本.此外， 由于其较容易集成二维阵列， 可适应不同领域的输出功率需求.

目前国内外大多数VCSEL的研究集中于808， 850， 980 nm等波段[11-17]， 对于905 nm VCSEL研究较少.据了解， 只有TriLumina 公司初步报道了高峰值功率的905 nm VCSEL阵列的结果[18]，以及Zhang等[19]报道了910 nm VCSEL阵列实现了100 W峰值功率输出.而对905 nm VCSEL的高功率转换效率的详细设计与制备的研究， 还未见报道.在实际的应用中， VCSEL的功率转换效率(power conversion efficiency， PCE)是非常关键的指标.因为功率转换效率越高， 器件在相同的输出功率下会产生更少的热量， 有利于提高器件的可靠性和寿命， 同时也可降低设备散热成本， 提高电池的使用时长.因此， 在移动设备和微型激光雷达等应用均要求激光光源具有高PCE.针对不同的应用， 不同波段的VCSEL的功率转换效率也有差别.例如， 850 nm波段多用于短距离光互联领域， 由于短腔长、低能耗的设计， VCSEL的PCE一般在30%—35%之间[20，21]; 1310 nm和1550 nm波段可用于中远距离通信， 但由于有源区与DBR材料的不匹配， 外延和制备的难度较大， 使VCSEL的PCE一般低于35%[22，23].808 nm VCSEL一般用于固体激光器的泵浦源， 目前报道的大功率VCSEL阵列的PCE可达39%以上[24].对于980 nm波段，由于GaAs材料对该波段透明， 因此980 nm的VCSEL可以设计成底发射结构， 很大程度上提高了器件的散热性能， 使其最大PCE可达51.2%[25].

本论文首先分析了VCSEL中影响PCE的主要因素， 然后对905 nm VCSEL的有源区、反射镜等外延结构进行了优化设计， 最后成功制备出具有高PCE的多种孔径的905 nm VCSEL器件， 并对其LIV特性、远场和光谱等进行了详细的测试分析.

2 905 nm VCSEL外延结构设计与生长

VCSEL的功率转换效率(PCE)与斜率效率、阈值电流和微分电阻的关系可以用以下公式表示[26]:

其中，ηe为VCSEL的斜率效率，q为电荷量，hv为光子能量，V0为激光器的开启电压，Rd为激光器的微分电阻，Ith为阈值电流.当 dηpce/dI=0 时， 可得到PCE峰值为

由(2)式变形得到:

由(3)式可以看出， 提高斜率效率、降低微分电阻和降低阈值电流都可以提高PCE的最大值.为了进一步分析三者对峰值PCE影响的权重大小， 令β=V0/(IthRd)， 假定阈值电流和微分电阻保持不变， 即为常数.此时，峰值PCE与斜率效率ηe的关系呈现正比例变化， 即当斜率效率提升10%， 峰值PCE也提升10%.如果假定斜率效率不变时， 峰值PCE与β的微分关系为:

根据实际测试数据， 以10 μm氧化孔径的VCSEL为例， 其阈值电流Ith为0.85 mA， 开启电压V0为1.43 V， 电阻Rd为42.3 Ω， 实际计算得到β=39.77.可以看出， 要想使峰值PCE提升10%， 需要将阈值电流或微分电阻降低64.03%.因此， 斜率效率的变化对PCE的影响要比阈值电流和微分电阻对PCE的影响大得多.要提高VCSEL的PCE， 优先考虑提高斜率效率， 其次是降低阈值电流或电阻.由于斜率效率与内量子效率成正比例关系[27]，而内量子效率与量子阱增益、谐振腔等设计非常相关， 所以对量子阱以及谐振腔的设计尤为重要.

传统的VCSEL有源区一般采用GaAs/AlGaAs作为量子阱材料， 这种体系的量子阱结构简单， 易于生长.为了提高量子阱微分增益， 采用具有应变的InxGa1—xAs/AlxGa1—xAs量子阱结构.这是因为应变可以增大价带的曲率， 降低价带的有效质量，使得准费米能级的间隔更为对称， 且两个准费米能级尽可能地接近带边， 降低了透明载流子浓度， 从而提高了有源区的微分增益[28].值得注意的是， 有源区增益谱和腔模均会随温度上升而发生红移， 而增益谱的红移速度(0.3 nm/℃左右)要比腔模的红移速度(0.065 nm/℃左右)快， 因此需要设计一定的增益谱峰值与腔膜的失谐补偿， 一般为10—15 nm.利用8-bandk·p能带理论[29]首先计算了量子阱宽度为6 nm， 势垒层宽度为8 nm的不同In组分的InxGa1—xAs /Al0.3Ga0.6As量子阱增益谱的变化趋势， 如图1所示.可以看出， 随着In组分的增大， 增益谱峰值发生红移.

图1 不同In组分下的InxGa1—xAs /Al0.3Ga0.6As量子阱增益谱(载流子浓度为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).

量子阱层厚度的增大也会使增益谱峰值发生红移.在设计量子阱材料时， 需要同时调节阱层厚度和In组分的大小使增益峰值位于892 nm附近，以得到13 nm左右的失谐波长.为了得到更大的增益， 需要对阱层厚度和In组分进行优化.图2为计算的势垒层厚度固定为8 nm时， 不同阱层厚度和In组分下的3对量子阱的增益峰值随载流子浓度的变化关系.图2中设计的量子阱的增益峰值均位于892 nm附近.从图中可以看出， 当阱层较厚时， 虽然获得固定的材料增益所需的载流子密度降低， 但是材料增益曲线的斜率下降， 也更容易出现饱和现象.当阱层较窄时， 材料增益曲线斜率增大.但是如果阱层厚度太窄， 基态能级上升， 那么基态与垒层顶端之间的能量差会变小.由于载流子填充时首先要填充基态， 电子跳出阱层所需要克服的势垒会进一步降低， 那么载流子发生泄漏的概率会明显增加[30].因此， 量子阱厚度太厚或太薄均会影响发光区的增益性能， 不利于器件的稳定工作.经过综合考虑， 采用量子阱材料为In0.123GaAs， 阱厚度为6 nm， 势垒层为Al0.3Ga0.6As材料， 厚度为8 nm.

VCSEL谐振腔是由有源区、N型和P型分布布拉格反射镜(distributed Bragg reflectors， DBRs)组成.DBRs的优化设计对于VCSEL输出特性的提升也至关重要.P-DBRs和N-DBRs的对数会影响腔面的反射率以及串联电阻.由于电子的迁移率远大于空穴， 因此N-DBRs引起的串联电阻较小，在设计时只考虑其反射率.为了减小腔内损耗， 将N-DBRs的对数设计为40对， 使其反射率接近100%.P-DBRs的对数会对斜率效率和串联电阻有较大影响， 如果P-DBRs的对数过多， 虽然可以减小阈值电流， 但是会使斜率效率降低， 同时也会增大串联电阻.考虑到斜率效率是影响PCE的主要因素， 在设计时需要适当减小P-DBRs的对数来获得高斜率效率.图3为利用传输矩阵法[28]计算的不同对数的P型DBRs的反射率.当P-DBRs对数为16， 18， 20， 22时， 905 nm波长处对应的反射率分别为98.05%， 98.82%， 99.20%， 99.51%.PDBRs的对数选择需保证拥有足够的反射率(一般99%以上)实现激光器的激射.由于P-DBRs对数的减少会引起阈值电流增大， 使获得高PCE的工作电流也变大， 因此设计时也需要同时考虑VCSEL器件实际工作的电流范围.根据实验测得，当P型DBR对数为22对时， 阈值电流和斜率效率分别为0.55 mA和0.87 W/A.当P型DBR对数为20对时， 阈值电流和斜率效率分别为0.85 mA和1.11 W/A.可以看出， P型DBR减小2对后，斜率效率获得了较大提升， 而且阈值也在合适的范围.当P型DBR对数减小为18对时， 阈值电流增大到1.2 mA， 斜率效率稍微增大， 为1.13 W/A.经过折中考虑， 选取的P-DBRs为20对Al0.9Ga0.1As/Al0.12Ga0.88As组成， 为减小材料间势垒， 中间插入20 nm的AlGaAs组分渐变层.

图2 不 同 量 子 阱 厚 度、In组 分 下 的InxGa1—xAs/Al0.3 Ga0.6As量子阱增益随载流子浓度的变化Fig.2.Gain spectra of InxGa1—xAs/Al0.3Ga0.6As QW with different well widths and In compositions versus carrier density.

图3 计算的不同对数的P-DBRs的反射谱Fig.3.Calculated reflection spectra of P-DBRs with different pairs.

设计完成后， 利用型号为Axitron G4 的MOCVD设备进行外延生长.首先， 在N型掺杂的GaAs衬底上交替生长40对Al0.9Ga0.1As/Al0.12Ga0.88As的N-DBRs， 为了减小材料间势垒， 中间插入生长20 nm的AlGaAs渐变层; 然后， 生长Al0.3GaAs限制层和3对In0.123Ga0.88As/Al0.3Ga0.7As量子阱;之后生长20 nm的Al0.98Ga0.02As层， 作为氧化限制层; 再交替生长20对Al0.9Ga0.1As/Al0.12Ga0.88As的P型DBRs， 最后， 生长重掺杂的P型欧姆接触层.完成外延生长后， 测试了外延片的白光反射谱和PL谱， 分别如图4(a)，(b)所示.测试的腔模位置位于为903.7 nm附近， 与设计值接近.量子阱PL谱的峰值为893.7 nm， 半高全宽(FWHM)为21.6 nm， 说明量子阱的生长质量较好.

图4 测试的905 nm VCSEL外延片的 (a)白光反射谱和(b) PL谱Fig.4.Measured (a) white light reflection spectrum and(b) PL spectrum of 905 nm VCSEL epitaxial wafer.

3 器件制备与测试分析

利用生长的905 nm VCSEL外延片， 制备了氧化孔径为6—18 μm多种VCSEL器件.器件的具体制备过程如下: 首先， 采用电子束蒸发法制备P型欧姆接触电极; 然后， 通过电感耦合等离子体(ICP)干法刻蚀P-DBR后， 露出高铝组分的Al0.98GaAs层， 蚀刻深度由原位反射率测量系统监控;之后在400 ℃， H2O/N2环境下对Al0.98GaAs层进行湿法氧化形成AlxOy， 实现对光场和电流的同时限制; 接下来， 生长SiNx层形成钝化层， 防止NDBR与P型电极接触导致器件漏电; 然后在刻蚀的沟道内电镀厚金以增加横向热传导， 减薄衬底至150 μm后蒸发AuGeNi/Au N型电极.最后，在350 ℃氮气环境中快速热退火， 形成良好的欧姆接触， 完成VCSEL器件的制备.图5为制备的VCSEL器件的结构示意图.

在室温下对制备的VCSEL器件进行了测试，采用的测试系统主要包括: 探针台、校准的光电探测器、半导体参数分析仪(Keithley 236)、高精度的电流源(keithley 2601 B)、光束质量分析仪(Spiricon SP928)以及高分辨率光谱分析仪(Advanst Q8384).测得不同氧化孔径的905 nm VCSEL器件在连续电流条件下的光功率-电流-电压(LIV)特性曲线如图6(a)，(b)所示.提取的阈值电流、最大功率、饱和电流和阈值损耗功率如图6(c)—6(f)所示.可以看出， 阈值电流随着氧化孔径的增大而增大， 最大输出功率和饱和电流随着氧化孔径的增大呈现近似线性的变化.当氧化孔为6 μm时， 最大出光功率达到10.5 mW， 阈值电流为0.35 mA; 当氧化孔为18 μm时， 最大出光功率达到32.8 mW，阈值电流为2.1 mA.氧化孔径越大， 微分电阻越小， 而且热翻转电流越大， 分别如图6(b)和6(e)所示.

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

图6 不同氧化孔径的VCSEL对应的 (a)输出功率-电流特性; (b) 电压-电流特性; (c)阈值电流; (d)最大功率; (e)饱和电流;(f)阈值损耗功率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.

图7 (a)为不同氧化孔径的VCSEL对应的斜率效率随注入电流的变化曲线， 其对应的最大斜率效率被提取在图7(b)中.其中， 氧化孔为10 μm的VCSEL对应的峰值斜率效率最高， 达到1.12 W/A，其他氧化孔径的峰值斜率效率也能达到1.05 W/A以上.这说明实验制备的VCSEL具有较高的斜率效率， 与外延设计的预期结果相符.不同氧化孔下的PCE随注入电流的变化曲线如图7(c)所示， 随着注入电流的增大， PCE的变化呈现先快速增大，达到峰值后缓慢下降的趋势.可以发现， 氧化孔径越大， PCE达到峰值后随注入电流的下降速度越缓慢.不同氧化孔径下的VCSEL的最大PCE的值处于42.2%—44.8%范围内.其中， 氧化孔为10 μm时， VCSEL的峰值PCE最大， 为44.8%.即使在氧化孔径为18 μm时， 仍然可以得到42.2%以上的PCE， 如图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对于高性能激光雷达的应用具有重要意义.可以观察到， PCE随氧化孔径的变化趋势与斜率效率随氧化孔径的变化趋势基本一致， 验证了前文中的结论， 即斜率效率对PCE的贡献最大.

图7 测试的不同氧化孔径的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.

通过测试不同氧化孔径下的VCSEL的远场和光谱图案.图8所示为注入10倍阈值电流的结果.当氧化孔径为6 μm， 注入电流为2.5 mA时，远场光强分布较为均匀， 此时1/e2处对应的发散角为18.8°.从激射的光谱图中可以看到， 此时仅有3个峰值， 分别为901.22， 901.8和902.5 nm.当氧化孔径为10 μm， 注入电流为6.9 mA时， 远场中心强度相对于边缘位置变弱， 呈现类似于环状分布， 此时的发散角为23.5°.激射的光谱图中出现多个峰值， 且每个峰值的间距变小， 这是由于大氧化孔径下会有更多的高阶模式激射的结果， 成为导致发散角增大的主要因素.当氧化孔径为14 μm和18 μm时， 远场图的中心强度变得更弱， 发散角也变的更大， 分别为25.5°和28.0°， 这是由于更多的模式激射以及电流注入不均匀造成的.此时的光谱出现更多的峰值， 并且间隔变得更小.可以得出，随着氧化孔径的增大， 远场发散角变大， 远场中心强度变弱， 光谱宽度变大， 各横向模式间隔变小.虽然大氧化孔径可以得到更高的输出功率， 但光谱和光束质量会变差， 因此在实际应用中需要在诸多因素中权衡考虑.

4 结 论

成功设计并制备出具有高PCE的905 nm垂直腔面发射激光器(VCSEL).探究了氧化孔径对光功率、阈值电流、斜率效率、PCE、远场和光谱特性的影响.论证了斜率效率是影响VCSEL PCE的主要因素， 给出了获得高功率转换效率的设计方法.在10 μm氧化孔径下， 得到的905 nm VCSEL的最大PCE达到44.8%.此外， VCSEL远场发散角和光谱线宽均随氧化孔径的增大而增大.当氧化孔径增大时， 更多的高阶模式激射导致远场发散角会增大， 模式间隔会减小.因此， 在实际的应用中，需根据VCSEL器件的应用场景对器件结构和外延进行特定的设计和优化.

图8 不同氧化孔径的VCSEL的远场和光谱Fig.8.Far-field and spectra of VCSELs with different oxide apertures.