1 310 nm垂直腔面發射激光器芯片制備技術的研究進展

劉麗杰， 吳遠大*， 王 玥， 安俊明， 胡雄偉， 王 佐

(1. 中國科學院半導體研究所 集成光電子學國家重點實驗室， 北京 100083；2. 河南仕佳光子科技有限公司， 河南 鶴壁 458030)

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1 310 nm垂直腔面發射激光器芯片制備技術的研究進展

劉麗杰1， 吳遠大1*， 王 玥1， 安俊明1， 胡雄偉1， 王 佐2

(1. 中國科學院半導體研究所 集成光電子學國家重點實驗室， 北京 100083；2. 河南仕佳光子科技有限公司， 河南 鶴壁 458030)

垂直腔面發射激光器(VCSELs)在光纖通訊領域有著廣泛的應用前景，國際上對VCSELs需求逐年增加，而國內目前VCSELs的產業化尚屬空白。本文從兩方面著手綜述1 310 nm VCSELs制備方法。將可以制備出1 310 nm VCSELs的4種材料，從理論、制備、量產時需要考慮的因素等方面進行較為全面的匯總分析；同時對兩種主流的制備方法從工藝步驟分析其在產業化方面的優勢與不足。

垂直腔面發射激光器； 1 310 nm； 產業化

1 引 言

因特網和“互聯網+”的高速增長，極大地推動了城域網(MAN)、局域網、光互聯等高速光通訊領域對帶寬的需求[1-2]。垂直腔面發射激光器(VCSELs)具有圓形輸出光斑、發散角小、低閾值電流、高傳輸速率、高功率轉換效率、低電功率損耗、高工作溫度、高可靠性和低成本[3]等優點，而且它與光纖耦合效率高，易于制成二維陣列，可在位檢測[4-5]，非常適合大規模生產，是國際上公認的光纖通訊領域最有潛力的低成本激光光源之一。

基于材料體系的發展、開發難易程度和器件成本的考量，最初局域網采用的是GaAs基的850 nm VCSELs[6]，傳輸速率為0.1～10 Gbit/s。該器件采用同樣的激光輸出功率時，100 Mbit/s速率下的傳輸距離是7～8 km；當傳輸速率提高至10 Gbit/s時，其傳輸距離僅為50 m。光纖在該波長時衰減最小約為2 dB/km，多模光纖的衰減又大于單模光纖，衰減較多，所以850 nm VCSELs已不能滿足高速局域網的通信需求。而在1 310 nm波段時，光纖衰減最小約為0.5 dB/km，在1 550 nm波段時光纖衰減最小為0.2 dB/km。可見，采用1 310～1 550 nm長波長激光器是光纖通訊領域發展的必然趨勢。1 550 nm 分布反饋式激光器(DFB)[7]在長距離傳輸中有著很強的優勢，但是，相對于量大面廣的城域網或局域網應用來說，DFB激光器的成本稍高。這給1 310 nm VCSELs的研究與開發提供了很好的契機。

目前，1 310 nm長波長VCSELs芯片的制備主要存在以下技術難點[8]：

(1) 由于In1-xGaxAsyP1-y/InP材料體系中，與InP晶格匹配的不同組分間的折射率差太小，所以難以制備出長波長VCSEL所需的高質量的DBR結構。

(2) 要滿足VCSELs器件的激射條件，用In1-xGaxAsyP1-y/InP制備分布布拉格反射鏡(DBR)結構時，需要生長幾十對甚至上百對不同組分的材料[9]，這對各生長層的層厚均勻性和組分均勻性以及組分控制提出了極其苛刻的要求。

(3) 在長波長領域，p層的自由載流子的吸收相當高，導致光損較大。

(4)如何降低器件串聯電阻，提高器件的熱導系數實現電流的有效注入。

針對這些難點，本文將從有源區材料體系和制造方法兩方面說明1 310 nm長波長VCSELs芯片的制備技術要點，并從產業化的角度分析各自的優勢與不足。

2 1 310 nm VCSELs芯片的材料體系

VCSELs的結構和工作原理如圖1所示。有源區材料的選取是制備激光器的關鍵，不同有源區材料體系會產生不同的導帶、階帶結構和電子限制。目前能實現1 310 nm長波長VCSELs的有源區材料體系主要有GaAs 基的GaInNAs/GaAs、GaAsSb/GaAs和InP基的InGaAsP/InP、InAlGaAs/InP。

圖1 VCSEL原理示意圖

2.1 GaInNAs/GaAs材料體系

激射波長為1 310 nm的半導體激光器，其有源區材料的帶隙是0.95 eV，如圖2所示。GaInNAs四元材料中的“N”具有電負性大、共價半徑較小的特點，會引起負的彎曲系數。因此，“N”并入GaAs或者InGaAs中會大大減小材料的帶隙，使材料的激射波長延長至1 310 nm。GaInNAs的優點是：

(1)GaInNAs/GaAs QWs 的導帶差ΔEc高達300～400 meV，較深的量子阱對電子有很好的限制[10]。

(2) 可以采用技術成熟的AlGaAs/GaAs 作為DBR反射鏡[11]。

(3) 采用MBE生長，與InP基材料相比，其組分和均勻性控制相對容易。

(4) 可以采用AlAs 氧化技術來進行電流和光限制[12]。

(5) 可以直接與GaAs 基微電子電路及其他器件集成。

圖2 Ⅲ-Ⅴ族元素合金相圖

采用GaInNAs材料體系產業化的公司主要有：美國Picolight公司，發射波長為1 280 nm，10 Gbit/s傳輸速率下的單模傳輸距離為20 km[3]；日本Sumitomo公司，25 ℃下的最大輸出功率為4.2 mW，10 Gbit/s的傳輸速率，發射波長約為1 260 nm[13]。但是，GaInNAs在實際外延生長技術中仍存在以下問題[7]：

(1)完全不同的邊界狀態將影響外延技術選擇，所以目前量產上使用MBE外延技術較多。

(2)不同組分合金在生長過程中的匹配。GaInN晶體生長需要相對較高的生長溫度，而InGaAs需要相對較低的生長溫度，容易形成易混的合金帶隙。

2.2 GaAsSb/GaAs材料體系

另一個GaAs基材料體系是GaAsSb/GaAs。含Sb化合物覆蓋的波長比較寬，可以從900 nm延展至4 500 nm。GaAsSb/GaAs系材料有以下幾個特點：

(1)GaAsSb和GaAs的晶格常數不匹配， GaAsSb外延層存在壓應力，在GaAs 襯底上生長的GaAsSb/GaAs是應變量子阱結構，發光波長可接近1 310 nm[14]。

(2)可以采用技術成熟的AlAs/GaAs 作為DBR 反射鏡[15]。

(3)GaAs1-xSbx和GaAs 界面的能帶不連續性主要降落在價帶，在導帶邊的不連續性較少，可能形成Ⅱ類異質結界面[16]。Ⅱ類異質結有兩個重要特性[17]：一是由晶格常數不同造成的應變特性，二是由能帶交錯排列產生的獨特電學和光學特性。

日本NEC公司的VCSEL器件的激射波長為1 295 nm，閾值電流為1.2 mA，最大工作溫度可達70 ℃[18]。美國Lyfek 公司用MBE生長技術制備了激射波長為1 266 nm、單模輸出功率為0.3 mW(工作溫度為10 ℃)、最大工作溫度為70 ℃、邊模抑制比(SMSR)為42 dB 的VCSEL器件[19]。GaAs1-xSbx材料在生長方面還需考慮以下幾個因素：

(1)由于Ga-Sb和Ga-As間的結合能差別較大，Ⅴ族元素之間存在強烈競爭。

(2)GaAs1-xSbx外延生長質量和組分取決于生長參數。

(3)砷化物的化學鍵普遍強于銻化物，Sb原子在GaAs表面無法通過Ga—As斷鍵方式置換出As原子來形成穩定的GaSb，所以GaAs1-xSbx外延生長中精確的組分控制和外延中關鍵工藝技術掌握至關重要，一旦控制不好則高質量的材料制備將變得非常困難。

2.3 InGaAsP/InP材料體系

InGaAsP/InP是長波長光電器件研究及生產的首選材料。InxGa1-xAsyP1-y四元材料體系的晶格常數與帶隙的關系如圖3[20]所示。橫坐標和縱坐標是組分變化，實線是Eg值，虛線是晶格常數a。對于半導體激光器而言，最主要的是光電轉化效率要高，即注入的電子空穴直接輻射復合，產生較大增益，達到激射閾值，所以制備半導體激光器的材料需選直接帶隙材料。圖中上部粗實線表示與GaAs晶格匹配，下部粗實線表示與InP晶格匹配。由圖可以看出，對于GaAs(a=0.565 3 nm)，匹配的化合物的帶隙能量為l.4～1.9 eV。對于InP(a=0.586 9 nm)，匹配的化合物的帶隙能量為0.75～1.45 eV。對于1 310 nm VCSELs所對應的材料帶隙，InGaAsP/InP有源區材料占據優勢地位。美國Agilent公司采用MOCVD生長方法，制備出InGaAsP長波長VCSELs。該器件在室溫持續工作時的電流密度為1.1 kA/cm2，量子效率大于30%，最大工作溫度為85 ℃，單模輸出功率為1.6 mW[9]。該結構材料生長過程中需要考慮的主要問題是：

(1)InxGa1-xAsyP1-y與InP襯底匹配時，x、y滿足的關系式為x=0.4526/(1-0.031y)[21]，在外延生長過程中通過調整，可以得到比較理想的材料組分。

(2)InP晶格匹配的不同組分InxGa1-x-AsyP1-y的折射率差太小，DBR結構材料將有幾十對甚至上百對，這對各生長層的層厚均勻性和組分均勻性都提出了極其苛刻的要求，需優化DBR結構體系[22]。

圖3 Eg和晶格常數a與材料組分的關系圖

2.4 AlInGaAs/InP材料體系

為提高激光器在惡劣環境下的工作的可靠性，人們提出了AlInGaAs/InP材料體系。它的主要優勢是：

(1)AlInGaAs在室溫下帶隙能量在0.75～1.45 eV范圍內，基本與InGaAsP相同。它的電子有效質量為0.041～0.083，空穴的有效質量為0.47～0.87，與InGaAsP(電子有效質量0.041～0.08，空穴有效質量0.47～0.85)相似。它們的室溫霍爾遷移率和折射率也基本相同。

(2)AlInGaAs的導帶偏差大：ΔEc=0.72ΔEg[23]，此結構有利于提高激光器量子阱有源區在高溫及高注入電流密度情況下對電子的限制能力。

(3)由于價帶空穴的有效質量遠大于導帶電子的有效質量，對AlInGaAs/InP材料系中相應的價帶偏量小，價帶空穴注入一致性好，光譜調制特性得以改善。

(4)AlInGaAs只有一個Ⅴ族元素，在高溫處理時，不會發生Ⅴ族元素互擴散和混晶現象，更容易得到一個陡峭的異質界面[24]，這也是AlInGaAs器件高溫工作穩定的一個重要因素[25]。

(5)AlInGaAs/InP材料可以選用MBE或MOCVD生長技術生長。

美國康寧公司采用MOCVD方法生長了VCSELs器件，單模輸出功率為1.7 mW(工作溫度25 ℃)，85 ℃下的單模輸出功率為0.6 mW，最大工作溫度大于100 ℃， 10 Gbit/s傳輸速率下的傳輸距離達10 km[26]。德國VERTILAS 公司制備了1 330 nm InGaAlAs/InP VCSEL器件，室溫輸出功率為3 mW，80 ℃時的輸出功率為0.6 mW，TOSA光纖耦合效率大于50%，20～80 ℃溫度范圍內的器件閾值電流為2.7 mA，SMSR為40 dB[27-28]。由于Al和Ga原子半徑相差很小，因此可以利用In源控制外延材料的應變量，交互調節Al源和Ga源流量使AlInGaAs量子阱的激射波長至所需波長。線性調節Al源和Ga源流量可以方便地得到帶隙漸變的分別限制異質結限制層，這可以進一步提高激光器有源區兩側對電子的限制能力，提升器件性能。

綜上所述，1 310 nm VCSELs量產雖有4種材料體系可選用，但GaInNAs/GaAs及GaAsSb/GaAs材料由于帶隙和異質結量子阱類型等原因，造成GaAs材料體系在長波段不占優勢。另外，從產業化商用標準來說，目前 VCSEL光纖通訊領域的標準有SONET、IEEE802.3ae、ANSI和ITU等，根據傳輸距離的不同，由于光纖的色散和衰減，各標準需要不同的最小波長。例如，OC-192(傳輸速率9.953 Gbit/s)，需求的最小波長為1 290 nm。 所以GaAs基兩種材料體系不是長波長器件的首選。InP基的InGaAsP/InP、InAlGaAs/InP兩種材料體系雖在DBR制備時有不足之處，但器件在長波長1 310 nm甚至1 550 nm[29]波段有很大優勢：一是如前所述的帶隙方面的優勢，二是高速特性方面的優勢。增大有源區微分增益可以提高有源區弛豫振蕩頻率，提高器件高速特性。實驗證實，量子阱結構中的填充態和限制因子對微分增益有很重要的影響，而InP基兩種材料在這方面較GaAs基具有優勢。在外延技術方面，GaAs基器件多數采用MBE生長技術制備，MBE生長N材料和Sb的合金具有生產速率低、產量小、設備及輔助材料成本高等劣勢。而InP基器件可采用MOCVD方法制備，該方法生長過程最為靈活，可獲得陡峭的材料界面，具有雜質少、點缺陷水平低、均勻性好、重復性高、生長速率快、可選擇性生產和實時監控等優點?？傊?，InP基兩種材料體系在1 310 nm VCSELs器件的產業化方面更有發展前景。

3 1 310 nm VCSELs芯片的制備方法

通常人們根據DBR結構的制備方法將1 310 nm長波長VCSELs的制備方法分成全外延生長法和鍵合法兩大類。圖4是全外延生長氧化限制型VCSELs的制備工藝流程示意圖[30]。(a) 外延片的一次生長包括：在半導體襯底上依次生長出掩埋層、晶格匹配過渡層、下n-DBR層、下光學和電流限制層、有源層、上光學和電流限制層、上p-DBR層、電極層等；(b) 利用光刻和濕法腐蝕技術進行器件結構刻蝕；(c) 采用濕氧氧化工藝形成電流限制區域；(d) PECVD介質材料生長；(e)填充腐蝕溝；(f)通過光刻和刻蝕工藝制作出p面歐姆電極的窗口；(g)通過電子束蒸發和lift off技術在制作p型電極的同時形成出光孔；(h) 外延片減薄、背面濺射制備出n型電極以及電極合金。隨后，進行管芯解理、芯片燒結等器件制管工藝和器件特性測試分析。

晶片鍵合是使兩個具有平整或互補形態表面的固體在不存在任何中間層的情況下，通過化學鍵作用力結合成為一個整體的過程[31]。采用鍵合法制備VCSELs可以結合GaAs基DBR優勢和InP基有源區的優勢，從而制備高性能的長波長VCSELs器件[32]。例如：AlInGaAs材料具有較好的可靠性和低的溫度敏感性，但是需要生長在InP襯底上。采用晶片鍵合技術將更多外延的兩元材料GaAs-AlAs DBR堆垛到有源區，提供最優的熱和光學鏡面結構、性能優異的1 310 nm的VCSELs[28]。再如，鍵合法能將AlGaAs/GaAs材料制備的優質DBR結構和AlInGaAs-InP材料制備出的優質高增益材料巧妙地結合在一起，并將長波長VCSELs的激射波長涵蓋1 250～1 650 nm范圍，很適合CWDM應用需求[33]。

圖4 氧化限制型VCSEL制作工藝

圖5 晶片鍵合工藝示意圖

鍵合法可以得到性能優良的VCSELs器件，但是鍵合工藝復雜，不容易擴展成大規模和高良率生產。晶片鍵合至少包含4個主要步驟[10]，如圖7所示，每步工藝控制不好都將會降低產品良率。國際VCSEL產業中只有為數不多的Vertilas、EPFL、Corning等公司有過鍵合法制備產品的報道，而大多數企業為全外延生長法。所以，全外延生長法在產業化方面更具前景。

4 結 論

依據光纖通訊領域國際有影響力的OFC會議等最新發布出來的數據分析，VCSELs在光纖通訊領域有著光明的應用前景，國際上對VCSELs的需求逐年增加，但國內的VCSELs產業尚屬空白。本文從材料和技術兩方面綜述了1 310 nm VCSELs的制備方法。匯總分析得出，InP基尤其是AlInGaAs/InP是制備長波長1 310 nm和1 550 nm VCSELs的首選材料，同時，全外延生長法比鍵合法更具產業化前景。

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劉麗杰(1981-)，女，河北秦皇島人，博士研究生，2008年于河北工業大學獲得碩士學位，主要從事垂直腔面發射激光器方面的研究。

E-mail： liulijie@semi.ac.cn

吳遠大(1974-)，男，湖北陽新人，研究員，博士生導師，2003年于吉林大學獲得博士學位，主要從事“三網融合”、“光纖到戶”核心光子器件芯片產業化技術的研究。

E-mail： wuyuanda@semi.ac.cn

Research Progress of 1 310 nm VCSELs Chip Technology

LIU Li-jie1, WU Yuan-da1*, WANG Yue1, AN Jun-ming1, HU Xiong-wei1, WANG Zuo2

(1.StateKeyLaboratoryonIntegratedOptoelectronics,InstituteofSemiconductors,ChineseAcademyofSciences，Beijing100083,China;2.HenanShijiaPhotonsTechnologyCo.,Ltd.,Hebi458030,China)

The vertical-cavity surface-emitting laser(VCSEL) is becoming a key device in the gigabit, local-area networks(LANs) and optical interconnets. Its volumn is increasing ever year in the world. However, there is no company to produce this promising device in China. In this paper, we review its material system properties and fabrication technology of 1 310 nm long-wavelength band and analyse the advantage and disadvantage from production. Lastly，we give a conclusion which method is better choice in the industrlization.

vertical cavity surface-emitting lasers; 1 310 nm; industrialization

1000-7032(2016)07-0809-07

2016-02-19；

2016-03-29

“863”國家高技術研究發展計劃(2015AA016902)資助項目

TN248.4

A

10.3788/fgxb20163707.0809

*CorrespondingAuthor,E-mail:wuyuanda@semi.ac.cn