850 nm垂直腔面发射激光器的辐射效应和仿真

陈加伟 李豫东 玛丽娅·黑尼 郭 旗 刘希言

1（中国科学院新疆理化技术研究所特殊环境功能材料与器件重点实验室 乌鲁木齐 830011）

2（中国科学院大学 北京 100049）

3（天津大学精密仪器与光电子工程学院 天津 300072）

Melngailis首次在1965年提出激光垂直腔面发射的思想［1］后，1977年诞生了第一只垂直腔面发射激 光 器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL）［2］。该结构的激光器使得注入电流在有源区产生的激光经过上下分布布拉格（Distributed Bragg Reflection，DBR）反射后可以垂直于正表面射出。此外，VCSEL还兼备低阈值电流，高速高频调制，工艺成本低，远场图对称和容易二维集成等优点［3-5］。自20世纪90年代中期以来，基于GaAs材料和氧化工艺的快速发展使得850 nm VCSEL一直是基于光纤的数据通信链路的标准光源。短程光纤通信传输速率快、体积功耗小和抗电磁干扰等优势，使其在航空航天、卫星通信和强核辐射环境领域具有巨大的应用潜力［6-7］。

VCSEL在空间辐射环境中应用时长期承受各种粒子辐射影响，包括大量电子、质子和重离子。这些高能带电粒子与VCSEL相互作用产生位移损伤辐射效应，直接影响VCSEL光电参数，使得光纤通信系统性能下降甚至失效［8］，而地面模拟需要做大量实验以最大程度评估实际空间辐射环境下的可靠性［9］。因此，研究不同能量粒子的损伤等效以及了解VCSEL在辐射环境下的退化机理对于VCSEL在卫星中的应用具有非常重要的价值。

人们已经对VCSEL在辐射下的参数退化进行了许多研究。辐射源覆盖了大多数粒子，包括γ射线、中子、质子、电子和重离子［10-14］。从最早的实验规则定性探索开始，逐步深入研究GaAs/AlGaAs材料降解的物理机制［15］。然而，借助仿真软件深入分析参数退化机制鲜有报道。本文对850 nm VCSEL进行了3 MeV和10 MeV质子辐照及仿真研究，使用位移损伤剂量（Displacement Damage Dose，DDD）等效参数的退化并通过Silvaco仿真获得了和实验一致的结果。此外，进一步结合Silvaco仿真软件对VCSEL的参数进行提取并对参数的退化机制进行了理论分析。该实验及仿真结果对提高地面模拟实验的效率及进一步深入理解VCSEL的位移损伤效应机理具有重要意义。

1 实验方法

实验采用的样品为850 nm多模VCSEL，根据实验样品的扫描透射电镜（Scanning Transmission Electron Microscopy，STEM）结果获得该款器件的结构参数如下：最底层为n型GaAs衬底，上下DBR对数分别为20.5和38.5对，有源区为3个量子阱结构。在此结构上我们使用Silvaco软件进行建模，其中上下DBR部分分别使用2×1018cm-3的p型和n型掺杂，相邻DBR高低折射率材料组分及厚度分别为Al0.9Ga0.1As/39 nm、Al0.12Ga0.88As/50 nm，在相邻折射率材料之间使用20 nm的组分渐变层过渡。有源区无掺杂，分别使用GaAs/8 nm、Al0.3Ga0.7As/8 nm作为发光层和包覆层。顶部设置5 nm重掺杂作欧姆接触。氧化限制层设置了6 μm的氧化孔径。模型结构如图1（a）所示，图1（b）为器件工作时量子阱区域部分放大图。

图1 850 nm VCSEL的Silvaco模型结构图(a)和VCSEL工作时多量子阱区域的部分放大图(b)Fig.1 Silvaco model structure diagram of 850 nm VCSEL(a)and partial enlarged view of the quantum well region when the VCSEL is operating(b)

质子辐照实验在北京大学重离子物理研究所2×6 MV EN串列静电加速器上进行，选取质子能量分别为3 MeV和10 MeV。通过MULASSIS工具进行计算DDD并设计实验方案，如表1所示［16］。设计实验使得两种能量的质子在不同注量下具有一致的DDD。VCSEL样品采用TO-46形式封装，封装盖在辐照前被去除避免对质子的阻挡从而导致注量测量不准确。辐照时VCSEL引脚开路并垂直于质子辐射源。辐照后，使用扫描狭缝光束轮廓仪及4200ASCS半导体参数分析仪测试VCSEL的光-电流-电压（L-I-V）曲线。由于VCSEL的光学特性受温度影响，使用ITC4002QCL驱动器件并严格控制测试温度为30℃。

表1 3 MeV和10 MeV在不同质子注量下对应的DDD Table 1 Corresponding DDD of 3 MeV and 10 MeV at different proton fluences

2 实验结果与讨论

2.1 质子辐照结果与仿真模型

使用MULASSIS工具计算位移损伤剂量公式如下：

式中：LNIE为非电离能量损失（Non-Ionizing Energy Loss），该值与入射粒子能量、种类和靶材料有关；ϕ为质子注量；DDD指单位质量的靶材料在辐照中由于晶格原子位移造成结构损伤所吸收的能量。图2展示了3 MeV质子辐照后的光输出功率-电流曲线（L-I），从图2可见，随着质子注量的增加，VCSEL的阈值电流逐渐增加；相同注入电流下光输出功率降低。该结果主要考虑是由于质子辐照引入位移损伤引起的。

图2 3 MeV质子辐照下VCSEL的L-I特性随质子注量变化Fig.2 Relationship between L-I characteristics of VCSEL and proton fluence under 3 MeV proton irradiation

当高能粒子与半导体晶格碰撞时，原子可能会从其晶格位置脱离并被推入晶体内的间隙位置，这个被取代的原子以前的晶格位置被称为空位。被置换的原子称为间隙原子（不在正常晶格位置的原子），间隙空位对称为弗伦克尔对。如果高能粒子具有足够大的能量，这些被置换的原子会产生级联碰撞进一步碰撞其他晶格原子，这些级联碰撞会导致一个大的无序区域，称为缺陷簇［17］。这些缺陷作为非辐射复合中心俘获载流子，由于相同注入电流下部分载流子补偿缺陷，所以导致了阈值电流的增加［18］。同样，由于缺陷引入的缺陷能级降低了辐射复合速率，降低了少子寿命，从而导致了光输出功率的降低。使用阈值前后数据线性拟合的两条曲线交点确定阈值电流并作归一化处理如图3所示。从图3中可见，在相同DDD下，即使质子的注量不同，但是阈值电流的损伤在两种能量下基本一致。结果表明：DDD可以作为评估VCSEL在不同能量质子辐照下位移损伤的有效手段。

图3 3 MeV和10 MeV辐照后VCSEL归一化阈值电流与DDD的关系Fig.3 Relationship between normalized threshold current of VCSEL and DDD after 3 MeV and 10 MeV irradiation

Silvaco作为半导体工艺和器件仿真软件（Technology Computer Aided Design，TCAD），会将仿真模型划分为区域网格，使用成熟的理论和模型作为基础，在格点处求解希望得到的特性，如：电学性质、光学性质等，可以作为工具从理论角度分析实际实验结果。本文结合STEM建立模型如图1所示，随后引入辐射注量模型，该模型可以模拟由于半导体中的高能粒子轰击引起的缺陷产生率，由具有特定辐照能量和种类的辐射注量引起的总缺陷态密度（NT）由式（2）给出，通过计算引入缺陷的影响，并反应到器件特性上。

式中：αD为损伤因子；ρ为材料密度；ϕ是总质子注量。调用该模型时使用RADIATION语句定义FLUENCE、ENERGY、粒子种类和NIEL的大小。引入模型后获得的3 MeV质子辐照仿真结果与实验测试结果如图4所示。图4中器件的L-I曲线在12 mA处由于工作模式的切换导致曲线出现扭结，但是该仿真结果提取的阈值电流和斜率效率使用扭结前数据，且结果和测试结果对应得较为理想。从仿真结果与实际实验结果的L-I曲线提取的阈值电流随DDD变化如图5所示。此外，通过仿真可以获得等多的微观参数与质子辐射的关系，为进一步理解辐射损伤机理提供理论支持。

图4 3 MeV质子辐照后的L-I特性仿真结果与实验结果对比Fig.4 Comparison between simulation and experimental results of L-I curve after 3 MeV proton irradiation

图5 仿真与实验结果提取的归一化阈值电流对比Fig.5 Comparison of normalized threshold current extracted from simulation and experimental results

2.2 VCSEL退化分析

由于辐射注量模型是计算材料中的陷阱产生率，我们首先使用Silvaco自带的探测尺工具提取了VCSEL注入电流为23 mA时中间量子阱的陷阱密度以及电离的施主和受主密度，结果如图6所示。由图6可见，3 MeV和10 MeV质子在相同DDD下产生的缺陷密度基本一致。此外，只有部分缺陷电离且受主电离密度比施主高，陷阱浓度、施主和受主浓度与DDD呈现线性关系［13］。陷阱中心位于禁带中，通过电子的发射和俘获与导带和价带交换电荷。缺陷中心影响半导体中空间电荷的密度和复合统计。从而影响辐射复合模型和光子速率方程，导致VCSEL输出特性产生退化。

图6 Silvaco中提取的陷阱密度，施主和受主电离密度随DDD的变化Fig.6 Variation of trap dose,donor and acceptor ionized density with DDD extracted from Silvaco

在DBR部分，图7为VCSEL镜面损失随质子注量变化图，而镜面损失的计算公式如下：

图7 10 MeV质子辐射后VCSEL镜面损失与质子注量关系Fig.7 Relationship between VCSEL mirror loss and proton fluence after 10 MeV proton irradiation

式中：αmir为镜面损失；L为谐振腔腔长；Rf和Rr分别为前后镜面反射率。作为Rf和Rr的对数函数，质子辐射引起镜面反射率的退化就会导致αmir的显著增大。而镜面损失增加会降低光子寿命，因此质子辐射对DBR部分反射率的影响成为降低VCSEL输出特性的部分原因。

在激光产生的必要条件中，除了DBR外，增益介质（有源区部分）同样会影响激光输出特性。VCSEL中，电子数反转后辐射复合产生光子，而辐射复合速率直接影响产生的光子数，图8为复合速率和辐射复合速率与DDD的关系。受激光辐射引起的载流子复合建模如下：

式中：Rst为复合速率；Neff为有效折射率；g为增益；Sm为光子数密度；E为光电场；m指模态量。从图8中可见，随着DDD的增大，复合速率和辐射复合速率均会降低，且辐射复合速率受质子辐射影响更为严重。辐射复合速率的降低一方面降低了产生的光子数，降低光输出功率，另一方面，辐射复合速率的降低意味着非辐射复合的增加，非辐射复合的能量会以热能释放到器件中，表现为器件结温的增加，而VCSEL作为对温度比较敏感的器件，过高的结温同样会降低光输出功率。

图8 量子阱处复合速率和辐射复合速率随DDD的变化Fig.8 Variation of recombination rate and radiative recombination rate at quantum well with DDD

在有源区部分，Silvaco求解的光子速率方程如下：

式中：Gm为模增益；1/τphm为光子寿命；αe为任何额外的激光损耗（默认值为0）；Rspm为自发发射速率。图9为两种能量质子的Sm随位移损伤剂量变化图，从图9中可见，引入质子辐射后，Sm逐渐降低。因此，VCSEL输出特性的退化是辐射后由于位移损伤导致谐振腔反射率，有源区辐射复合速率等参数降低的综合结果。仿真结果在验证和分析实验结果的同时也可以从工艺角度对VCSEL的抗辐射加固提供设计思路。

图9 光子速率方程中光子数与DDD的关系Fig.9 Relationship between photon number in photon rate equation and DDD

3 结语

本文研究了相同DDD下3 MeV和10 MeV质子辐照引起VCSEL的性能退化。结果表明：在相同DDD下，两种能量质子辐射产生的退化基本一致。此外，还根据STEM结果在Silvaco中建立了对应的模型，在引入辐射注量模型后，从仿真中发现了辐射后陷阱浓度增加、DBR反射率下降、有源区辐射复合速率降低和光子数降低等结果。因此，质子辐射引入的位移损伤对DBR和有源区均有影响，反射率和光子数的降低最终导致了器件L-I特性的退化。该仿真与实验结果一致，模型具有较高的可信度。此外，通过仿真还深入分析了VCSEL质子辐射后退化的微观机理。以上实验及仿真结果对VCSEL的辐射效应评估实验和空间辐射环境下的实际应用具有重要意义。

作者贡献声明陈加伟：论文初稿的写作与稿件的修改；李豫东：参与实验设计和试验结果分析；玛丽娅·黑尼：实验设计者和实验研究的执行人；郭旗：指导实验设计、数据分析、论文写作与修改；刘希言：提供理论支持和实验结果分析。