940 nm 垂直腔面發射激光器的設計及制備

于洪巖 堯舜? 張紅梅 王青 張楊 周廣正 呂朝晨 程立文 郎陸廣 夏宇 周天寶 康聯鴻 王智勇 董國亮

1) (北京工業大學激光工程研究院,北京 100124)

2) (華芯半導體科技有限公司,泰州 225300)

3) (揚州大學物理科學與技術學院,揚州 225002)

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

利用PICS3D 計算得到InGaAs/GaAsP 應變補償量子阱的增益特性,得到量子阱的各項參數,再通過傳輸矩陣理論和TFCalc 膜系設計軟件分別仿真出上下分布式布拉格反射鏡的白光反射譜. 采用金屬有機化合物氣相沉積技術外延生長了垂直腔面發射激光器結構,之后通過干法刻蝕、濕法氧化以及金屬電極等芯片技術制備得到8 μ m 氧化孔徑的VCSEL 芯片. 最終,測試得到其光電特性實現室溫下閾值電流和斜效率分別為0.95 mA 和0.96 W/A,在6 mA 電流和2 V 電壓下輸出功率達到4.75 mW,并測試了VCSEL 的高溫特性.

1 引 言

從940 nm 半導體激光器研制以來,有很多研究者專注于高功率和高亮度的研究. 2007 年,Fiebig等[1]實現了940 nm 半導體激光器超過100 W 的準連續輸出. 2011 年,Berk 等[2]研制了940 nm 半導體激光器抽運的準連續激光器,實現200 W 的輸出功率. 然而,近年來由于三維(3D)攝像頭的迅速發展,940 nm 垂直腔面發射激光器(verticalcavity surface-emitting laser,VCSEL)成為了新的研究熱點[3,4]. 940 nm VCSEL 由于具有轉換效率高、斜效率高、易于集成及分辨率高和避免紅暴的特性成為了3D 攝像頭的理想光源,并有望被應用到虛擬現實、增強現實及汽車輔助駕駛中. 多樣的應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 已經積累了大量的VCSEL 方面的專利[5?8]. 尤其是Princeton Optronics 公司,一直在940 nm VCSEL 方面處于領先地位,已經達到了室溫下斜效率1.1 W/A. 在國外高校中,烏爾姆大學以及查爾姆斯理工大學在VCSEL 領域也做了大量的研究[9?12]. 在國內,中國科學院長春光學精密機械與物理研究所在大功率980 nm VCSEL 方面取得了突出成果[13?15],北京工業大學在高速850 nm VCSEL 方面也積累了大量的經驗[16?19]. 但目前國內940 nm VCSEL的研究還處于萌芽狀態,相對于應用在光通信的850 nm VCSEL 來說,由于波長的增加,需要In含量更多的阱層材料以減小禁帶寬度,實現940 nm波長的光輸出,從而導致失配更加嚴重. 因此必須對量子阱進行改進設計,以滿足940 nm VCSEL的應用需求. 而相對大功率的980 nm VCSEL 而言,940 nm VCSEL 的氧化孔徑要小幾十分之一.所以綜上所述,需要對940 nm VCSEL 的外延結構進行改進設計以制作得到VCSEL 芯片.

基于940 nm VCSEL 的不同應用要求,斜效率成為了最為重要的指標之一. 本文中,有源區采用InGaAs/GaAsP 應變補償多量子阱(MQWs),相較普遍采用的InGaAs/AlGaAs MQWs,應變補償MQWs 由于應變補償的作用具有以下兩個優點; 第一,可以生長In 含量更大的阱層材料,以提高MQWs 的微分增益和滿足更高的工作溫度要求; 第二,可以生長更多對數的MQWs 以提高VCSEL 的光功率. 通過PICS3D 對MQWs 增益特性進行計算,以得到合適的量子阱中In 的組分、阱層厚度及勢壘中P 的組分和壘層厚度. 分布式布拉格反射鏡(DBRs)由高低折射率的兩種材料堆疊組成,并且在兩種材料交界處加入漸變層以減小兩種材料間的勢壘尖峰,從而達到減小DBRs 的串聯電阻的作用,DBRs 的反射率可達到99%以上. DBRs 的反射譜由TFCalc 軟件進行仿真計算.根據仿真結果,通過金屬有機化合物氣相沉積(MOCVD)對MQWs 和DBRs 進行生長,在對這兩部分優化生長后再對VCSEL 全結構進行生長,并通過芯片工藝制備得到VCSEL 芯片.

2 設計及生長MQWs 和DBRs

有源區作為VCSEL 的核心區域可以將電輸入轉化為光輸出,激光的激射波長、功率、閾值和斜效率都受有源區參數的影響. MQWs 的峰值增益波長與VCSEL 全結構白光反射譜的腔模凹陷相對應,否則可能導致不激射. 由于VCSEL 工作時會導致溫度上升出現波長紅移現象,所以將MQWs 的峰值增益波長設計為928 nm. 有源區由5 對應變補償量子阱組成,其中阱層為4.4 nm 的In0.16Ga0.84As,壘層為6.2 nm 的GaAs0.88P0.12,在300 K 下,計算得到阱層材料的壓應變量為1.1%,壘層材料的張應變量為–0.4%,在應變補償的作用下其應變量為0.7%[20,21]. 光功率可以通過增加量子阱對數的方法得到提高,但是應力作用會限制生長量子阱的臨界厚度,而應變補償量子阱可以在一定程度上增加其臨界厚度,以生長相對更多的量子阱. 通過PICS3D 模擬的MQWs 增益譜如圖1 所示,其峰值增益波長在928 nm 附近. 利用MOCVD對MQWs 進行外延生長,并通過光致發光光譜儀測得MQWs 的光致發光(PL)光譜(激光光源為532 nm 的Nd:YAG 激光器)如圖2 所示,可知其PL 峰值波長在927.9 nm 附近,與PICS3D 模擬的峰值增益波長匹配完好,半高全寬(FWHM)為17.1 nm 左右,說明MQWs 的生長質量較好. 圖3為高分辨率X 射線衍射(HRXRD)曲線,MQWs的周期厚度可以通過以下方程進行計算:其中λ為X 射線(Cu 靶)波長,θ為衍射峰角度.根據(1)式可計算得到外延生長MQWs 的周期厚度為10.858 nm,與設計的周期厚度匹配程度較好.

圖1 MQWs 材料增益特性曲線Fig. 1. Material gain characteristics curve of MQWs.

圖3 MQWs HRXRD 曲線Fig. 3. The HRXRD curve of MQWs.

位于諧振腔兩側的分別為n-和p-DBRs,由于VCSEL 的諧振腔腔長較短,通過采用DBRs 結構作為反射鏡可以獲得高反射率,并起到減小腔鏡損耗的作用. n-DBRs 由28 對AlAs/Al0.12Ga0.88As和3.5 對Al0.90Ga0.10As/Al0.12Ga0.88As 組成,位于諧振腔的下側,p-DBRs 由23 對Al0.90Ga0.10As/Al0.12Ga0.88As 組成,位于諧振腔的上側. 為降低DBRs 的串聯電阻,n-和p-DBRs 的各層材料之間均插入20 nm 的漸變層,每層材料和漸變層的光學厚度之和為λ/4(λ=940 nm). AlxGa1–xAs 材料的折射率n由以下方程計算得到[20]:

其中

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

通過計算可得,在940 nm 波長下Al0.12Ga0.88As,Al0.90Ga0.10As 和AlAs 的折射率n分別為3.4795,3.0342 和2.9761; Al0.12Ga0.88As,Al0.90Ga0.10As 和AlAs 的物理厚度為67.54,77.45和78.96 nm. 由于有20 nm 漸變層的插入,為保持高低折射率材料和漸變層的光學厚度之和為λ/4 ,Al0.12Ga0.88As,Al0.90Ga0.10As 和AlAs 的物理厚度應分別減小18.64,21.37 和21.70 nm.

DBRs 的反射譜可以由以下傳輸矩陣進行計算[22,23]:

其中右側第一個矩陣為第j層的特性矩陣,δj和ηj分別為相位厚度和光學導納;ηk+1為出射介質的光學導納. 當光垂直入射時,δj和ηj可表示為

其中λ為入射波長;nj,αj和dj分別為第j層的折射率、吸收系數以及物理厚度. 反射率R可以通過以下方程計算得到:

圖4 為p-和n-DBRs 的PL 反射譜(白光光源)的模擬和實驗結果,中心波長為938.7 nm,并且p-和n-DBRs 的反射率分別約為99.0%和99.7%. 模擬結果和實驗結果高度符合.

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

3 VCSEL 的制備與測試結果

圖5 為VCSEL 的結構示意圖,Spacer 層位于有源區的兩側,氧化層為Al0.98Ga0.02As. 頂部的p 型接觸層和底部的緩沖層均為GaAs. 實驗使用的為美國Veeco 公司生產的K475i 型MOCVD 設備. VCSEL 外延結構生長在4 寸GaAs 襯底上.圖6 為VCSEL 外延片的PL 白光反射譜,其F-P腔模波長為939.5 nm. 在外延生長之后,通過干法刻蝕、濕法氧化、金屬電極等工藝制備得到了VCSEL 芯片. 在干法刻蝕過程中,使用BCl3和Cl2將臺面刻蝕,刻蝕深度約為3500 nm. 在濕法氧化過程中,首先將氧化爐提前加熱15 min,隨后在425 ℃下用200 sccm (1 sccm =1 mL/min)的氮氣進行氧化,氧化速率為0.40 μ m/min ,氧化孔徑大小為8 μ m . 在金屬電極工藝中,將AuGeNi合金濺射到VCSEL 頂層制備得到p 型歐姆接觸層,而Ti/Pt/Au 被蒸鍍到襯底的背面制備得到n 型歐姆接觸層,隨后在氮氣氛圍下在350 ℃下進行快速退火形成良好的歐姆接觸. 圖7 為VCSEL的臺面和氧化層SEM 照片,可以清楚地看到刻蝕臺面情況及氧化層的氧化深度. VCSEL 芯片金相顯微鏡照片如圖8 所示,芯片為異面電極結構,其中氧化孔徑為8 μ m (紅外光源電感耦合器件(CCD)可見).

圖5 VCSEL 結構示意圖Fig. 5. Schematic diagram of VCSEL structure.

圖6 VCSEL 白光反射譜Fig. 6. White light illuminant reflection spectrum of VCSEL.

生長完成的外延片被分為兩個區域進行光電特性測試,如圖9 所示. 根據實驗經驗,生長過程中的誤差會導致邊緣區域誤差相對更大,所以區域1 的光電特性相對更好,而區域2 則代表了外延片上的平均水平. 這里選擇區域1 中的5 顆VCSEL芯片進行L-I-V測試. 測試結果如圖10 所示,這5 顆VCSEL 芯片有很好的一致性,室溫下閾值電流為0.95 mA,斜效率為0.96 W/A,在6 mA 和2 V工作條件下其輸出功率達到4.75 mW.

圖7 VCSEL 臺面和氧化孔徑圖片Fig. 7. The SEM image of VCSEL mesa and oxide aperture.

圖8 VCSEL 金相顯微鏡圖片Fig. 8. Microscopy image of VCSEL chip.

圖9 VCSEL 外延片區域示意圖Fig. 9. Diagrammatic of VCSEL wafer.

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

在區域2 中選取一顆VCSEL 芯片進行測試,圖11 所示為該芯片室溫下不同電流下的光譜圖,激射波長為944.5 nm. 在不同電流下其FWHM 均保持在1 nm 左右.

圖11 室溫下不同電流的光譜圖Fig. 11. Emission spectra for VCSELs at various injection current at room temperature.

圖12 VCSEL 的L-I-V特 性 曲 線 (a)光 功 率 特 性;(b)電壓電流特性; (c)閾值電流和斜效率隨溫度變化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.

圖13 VCSEL 遠場光斑與發散角Fig. 13. Far field spot and divergence angle of VCSEL.

圖12 為區域2 中940 nm VCSEL 的變溫LI-V特性曲線. 在0—40 ℃溫度區間,閾值電流一直保持在1 mA,在50 和60 ℃閾值電流增加到1.2 mA,在80 ℃時,其閾值電流為1.9 mA. 斜效率在25 ℃時最大,為0.81 W/A,在0—50 ℃期間變化不明顯,在80 ℃時,斜效率最低,為0.57 W/A.在光功率方面,在0,25,80 ℃時,分別為3.588,3.850 和2.323 mW. 在0—50 ℃時由于采用應變補償量子阱的原因使得電子很好地限制在量子阱中,使得閾值電流、斜效率以及光功率變化很小.但是隨著溫度的不斷提高,可以發現在80 ℃時各項參數衰減嚴重,主要原因是量子阱中電子獲得能量泄漏,導致微分增益下降,并且在高溫下其DBRs 反射鏡的反射率有一定下降,并且損耗加大,最終導致了其各項參數的降低. 圖13 為VCSEL在6 mA 工作電流下的遠場光斑與發散角,可以看出為對稱高斯光束輸出,發散角為18.563°.

4 總 結

本文研制了以InGaAs/GaAsP 應變補償量子阱 作 為 有 源 區 的940 nm VCSEL,通 過 自 主MOCVD 外延和芯片制備工藝得到VCSEL 芯片.在室溫下,其斜效率和閾值電流分別為0.96 W/A和0.95 mA,在6 mA 和2.0 V 工作條件下光功率達到4.75 mW. 測試了同一片外延片的其他區域的VCSEL 芯片的變溫特性,閾值電流和斜效率在0—50 ℃范圍內變化不明顯,在高溫80 ℃時,閾值電流和斜效率分別為1.9 mA 和0.57 W/A,光功率為2.323 mW. 未來,通過改進工藝,以及優化關鍵參數會制備得到斜效率更大的VCSEL 芯片,以滿足各類應用場景的需求.