長光時空聯(lián)合長春光機所研制出人眼安全波段VCSEL芯片

  垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical cavity surface emitting laser, VCSEL)具有低功耗、小體積、圓形對稱光斑及高可靠性等優(yōu)點，目前國內有多家企業(yè)在從事850nm/940nm/905nm VCSEL相關產品研發(fā)和生產。1550nm激光滿足人眼安全要求，在激光雷達、氣體探測等領域有廣泛應用前景，但是目前國內在1550nm VCSEL商用產品研發(fā)方面尚未取得突破。

  近日，長光時空聯(lián)合長光所王立軍院士團隊，研制出高性能1550nm VCSEL芯片。技術人員通過采用高增益應變量子阱，在國內首次研發(fā)出光功率達到毫瓦量級的單模1550 nm VCSEL。在溫控設定在15 ℃時最高激光功率達到2.6 mW, 邊模抑制比(SMSR)最高達到35 dB，并具有良好的溫度適應性。該項研究以《1550 nm毫瓦級單橫模垂直腔面發(fā)射半導體激光器》發(fā)表于《物理學報》，并被選為“編輯推薦”論文。

  論文鏈接：https://wulixb.iphy.ac.cn/article/doi/10.7498/aps.71.20212132

  論文全文

  題目 | 1550 nm毫瓦級單橫模垂直腔面發(fā)射半導體激光器

  1. 引 言

  1550 nm波長的激光具有很廣闊的應用前景, 該波長是光纖通信窗口, 在光纖中具有較低的傳輸色散[1]; 1550 nm波長的激光具有高的人眼安全閾值, 不易產生人眼損傷[2]; 另外, 1550 nm波長附近還是一氧化碳、硫化氫等氣體的特征吸收波長區(qū)域[3]. 發(fā)光波長在1550 nm的垂直腔面發(fā)射半導體激光器(vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL)具有低功耗、小體積、表面出光及圓形對稱光斑等獨特優(yōu)勢, 近年來在低功耗光通信、激光雷達及氣體傳感等領域的應用研究獲得了人們的廣泛關注[4,5], 具有廣闊的應用前景. 發(fā)光波長在1550 nm附近的VCSEL必須采用InP材料體系作為發(fā)光層. 采用InP襯底生長的晶格匹配材料具有很低的折射率差值, 因而無法用于制備低吸收損耗、低電阻的分布布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector, DBR)結構[6]. 因此, 目前1550 nm波段的VCSEL一般采用鍵合AlGaAs/GaAs材料的高性能DBR實現(xiàn)光場的垂直振蕩方向控制, 然而鍵合界面的晶格缺陷及空洞嚴重制約著器件的工作性能[7,8]. 近年來, 國外研究機構針對1550 nm波段VCSEL的工作性能提升做了大量研究工作.

  早在2003年, 慕尼黑工業(yè)大學的Gerhard等[9]就論證了1550 nm波段以及更長波段VCSEL的材料制備方案及初步實驗結果. 2009年, 慕尼黑工業(yè)大學Müller等[10]報道了采用雙面混合DBR制備1550 nm波段VCSEL的結果, 實現(xiàn)室溫輸出功率為1 mW. 隨后, 瑞士聯(lián)邦理工學院的Andrei等[11]利用隧道結臺階實現(xiàn)了橫向電流限制, 并通過鍵合AlGaAs/GaAs反射鏡, 實現(xiàn)了室溫6.5 mW的連續(xù)激射功率. 為解決DBR反射鏡對1550 nm VCSEL的制約, 2013年, 美國加州大學伯克利分校的Connie研究小組[12]引入懸浮式的高對比度光柵反射鏡(high contrast grating, HCG), 實現(xiàn)了15 ℃下單模功率2.4 mW. 隨后, 采用各種新型反射鏡結構替代傳統(tǒng)鍵合反射鏡的技術方案被廣泛研究報道[13,14].

  近年來, 隨著高速通信、氣體傳感及激光雷達等技術對1550 nm VCSEL的迫切需求, 國內也正積極開展1550 nm VCSEL的技術攻關, 然而在1550 nm波段VCSEL領域的研究報道近乎空白, 主要是由于在該波段的材料制備質量和鍵合工藝水平與國外具有較大差距. 2020年, 中國科學院半導體研究所Liu等[15]報道了采用混合鏡面反射鏡與隧穿結臺面結合的1550 nm VCSEL方案, 其閾值電流為20 mA, 激光功率為7 μW, 激射譜半高全寬為3 nm.

  本文報道了1550 nm毫瓦級單橫模VCSEL器件的設計和制備. 首先介紹了1550 nm波段VCSEL的關鍵結構量子阱、隧穿結及其橫模特性的設計結果, 其次對VCSEL功率、光譜與單模特性等測試結果進行了描述, 最后總結了1550 nm 垂直腔面發(fā)射半導體激光器的工作.

  2. 器件結構

  圖1是本文所用的1550 nm VCSEL的結構示意圖. 該結構主要由上下DBR、隧穿結注入臺面以及量子阱發(fā)光區(qū)組成. 其中下DBR由30對AlGaInA/AlInAs半導體DBR與CaF2/Si介質膜DBR材料共同組成; 上DBR由45對AlGaInA/AlInAs半導體DBR與介質膜DBR材料組成. 發(fā)光區(qū)由6組6 nm Al0.06Ga0.22InAs量子阱/8 nm Al0.22Ga0.28InAs勢壘層組成. 量子阱發(fā)光區(qū)與上、下DBR之間有約2 μm厚的N型摻雜InP導電層, 以便于制備內部接觸式的正負電極結構. 為實現(xiàn)高的發(fā)光區(qū)載流子密度, 采用重摻雜的n++/p++隧穿結臺面結構實現(xiàn)空穴在臺面位置的高效注入與橫向載流子限制。

  圖 1 1550 nm波段VCSEL結構示意圖

  VCSEL的制備工藝流程如下: 采用金屬有機化學氣相沉積外延設備在InP襯底依次生長上半導體DBR、N型導電層、發(fā)光層及隧穿結結構后, 利用干法刻蝕設備刻蝕出隧穿結臺面, 然后再次生長導電層及下DBR中的半導體DBR. 之后通過電子束蒸鍍設備蒸鍍下半導體DBR外部的CaF2/Si介質膜DBR. 制備完成后, 采用電子束蒸金及鍍金設備完成金屬電極制備, 并采用鍵合設備將整個結構鍵合到帶有金屬化圖形的透明金剛石薄片上, 以支撐上DBR制備工藝繼續(xù)進行. 將InP襯底采用選擇性腐蝕工藝去除后, 繼續(xù)刻蝕出臺面結構, 填充BCB材料并利用電子束蒸鍍設備形成金屬電極. 最后在上DBR上蒸鍍介質膜, 完成工藝制備. 為了獲取良好的散熱效果, VCSEL的底部電極在工藝過程中被加厚至20 μm以上. 激光器臺面邊緣填充BCB材料的主要目的是實現(xiàn)良好的器件支撐, 確保芯片在操作過程中不易產生破損.

  3. 理論設計

  在半導體材料體系中, GaInAsP與AlGaInAs材料均可以作為1550 nm波段的發(fā)光區(qū)材料, 然而AlGaInAs具有更高的導帶帶階(ΔEc/ΔEg), 因而對于容易泄漏的載流子電子具有更好的限制效果; AlGaInAs只有一種V族元素, 因而更容易控制材料的生長質量, 有利于實現(xiàn)良好的發(fā)光區(qū)性能; 同時, 由于AlGaInAs量子阱相比InP襯底具有張應變效應, 而張應變可以提供更好的能帶分離效果與增益水平, 因而AlGaInAs是1550 nm VCSEL理想的量子阱層材料[16]. 圖2是采用的6 nm Al0.06Ga0.22InAs量子阱/8 nm Al0.22Ga0.28InAs勢壘層結構發(fā)光區(qū)量子阱價帶的能級分立情況以及增益譜隨載流子濃度的變化模擬結果。

圖 2 (a) 6 nm Al0.06Ga0.22InAs量子阱的價帶子能級分布情況; (b)不同載流子濃度下的增益譜變化情況

  采用Crosslight軟件中的量子阱增益仿真模塊計算了發(fā)光區(qū)量子阱價帶能級與增益譜, 如圖2所示. 圖2(a)中能帶順序自上往下依次是第一重空穴帶(HH1)、第二重空穴帶(HH2)、第一輕空穴帶(LH1)與第三重空穴帶(HH3). 價帶重空穴帶在上, 有利于量子阱在低的電流密度實現(xiàn)粒子數(shù)反轉. 第一重空穴帶與第二重空穴帶分離良好, 進一步提高了量子阱對注入載流子的限制能力. 由圖2(b)中不同載流子濃度下的增益譜可以看出, 隨著載流子濃度的增加, 增益譜一直較為平滑, 并沒有出現(xiàn)第二子能帶光增益. 量子阱增益峰值位置隨載流子濃度增加略有藍移, 這是由于載流子的能帶填充效應造成的. 為保證工作時增益峰值波長盡量靠近出光波長, 采用的量子阱增益峰位置設定在1.53 μm附近, 比激光波長略短一些. 這是因為VCSEL工作時, 其內部具有較嚴重的熱效應, 因而工作時由于溫度增加帶來增益峰的紅移, 從而最終實現(xiàn)增益峰跟目標激光波長較好匹配[17].

  1550 nm波段采用的InP材料結構無法像近紅外波段的GaAs材料一樣通過摻入高Al組分, 實現(xiàn)電流限制層的制備[18], 因而, 目前文獻報道多采用隧穿臺面結構實現(xiàn)載流子的橫向限制. 載流子的隧穿效應是1550 nm VCSEL電流順利注入的關鍵. 圖3是采用Crosslight軟件設計的重摻雜隧穿結構的電流-電壓曲線, 隧穿結臺面直徑為5 μm. 由于隧穿結外加反向偏壓, 因而在電壓小于1.5 V時幾乎沒有隧穿電流存在; 而當開啟電壓超出1.5 V, 隧穿電流隨著電壓增加迅速增長, 電壓增長約0.5 V就可以實現(xiàn)10 mA的電流注入, 具有很好的隧穿效果。

圖 3 隧穿結結構的電流-電壓特性模擬結果, 插圖為各隧穿層在1 V偏壓下的能帶結構計算結果及載流子傳輸過程示意圖

  圖3插圖為模擬的隧穿結材料層在外加偏壓超過開啟電壓后的能帶結構圖. 隧穿結采用n型及p型重摻雜材料, 界面處重摻雜n型層的導帶與p型層的價帶位于同一水平, 因而當電壓繼續(xù)增加, n型層的載流子電子直接隧穿至p型層, 實現(xiàn)電流注入, 而不存在額外的勢壘. 這也是隧穿結結構的基本工作原理.

  相比近紅外波段常采用的氧化限制結構, 隧穿結結構具有很好的單模工作特性. VCSEL的波導結構屬于典型的光纖柱狀波導, 其芯層與包層的折射率差值決定了基模與高階模的分布形式[19]. 對于隧穿結結構來說, 其芯層與包層的折射率差Δneff = neff-core – neff-cladding較小, 更有利于高階模式的耗散與基模的增強. VCSEL的Δneff與臺面刻蝕深度密切相關. 對于隧穿結臺面, 采用MATLAB自建的光纖模式模型分析了不同刻蝕深度時Δneff以及其對應的單模區(qū)直徑變化情況, 如圖4所示. 可以看出, 隨著刻蝕深度增加, Δneff變大, 說明刻蝕深度的增加對波導效應有增強效果, 對應的單模工作區(qū)直徑不斷降低. 因而, 刻蝕深度較大時, 對于實現(xiàn)大口徑的單模輸出是不利的. 為實現(xiàn)5 μm以上的單模工作區(qū)直徑, 選擇刻蝕深度不超過100 nm。

圖 4 隧穿結臺面刻蝕深度對芯層與包層的折射率差值Δneff = neff-core-neff-cladding以及單模工作區(qū)直徑的影響

  4. 實驗結果

  制備的1550 nm VCSEL芯片被封裝在TO管殼中, 其底部裝有TEC控溫及NTC測溫元件. 通過改變控溫系統(tǒng)溫度, 測量VCSEL在不同工作溫度下的功率-電流曲線, 測試結果如圖5所示. VCSEL在15 ℃下的熱飽和功率達到2.6 mW. 隨著工作溫度的增加, 最大熱飽和功率快速降低, 在35 ℃下的熱飽和功率仍然可以達到1.3 mW. VCSEL的閾值電流隨溫度的變化趨勢呈現(xiàn)出典型的增益—腔模失配型VCSEL閾值電流特性[20]. 當工作溫度由15 ℃增加到35 ℃后, 熱飽和功率有所降低, 閾值電流也隨之減小, 由15 ℃時的7.4 mA降低到35 ℃時的5.4 mA. 閾值電流隨工作溫度增加而減小, 是因為設計的增益峰值波長與激光器出光波長相對藍移, 隨著工作溫度的增加, 由于增益峰值波長漂移速率比激光器出光波長漂移速率快近一個數(shù)量級, 因而在較高溫度下實現(xiàn)了增益與激光器工作波長的較好匹配. 當工作溫度繼續(xù)增加至55 ℃時, 激光器的增益與工作波長匹配度仍然較好, 因而VCSEL閾值電流與35 ℃相比并無明顯變化. 隨著工作溫度繼續(xù)增加至75 ℃, 增益與工作波長出現(xiàn)失配, 閾值電流繼續(xù)增加. 雖然當工作溫度在75 ℃時VCSEL功率急劇下降, 然而其熱飽和出光功率仍然可以達到0.35 mW.

圖 5 不同工作溫度下VCSEL的功率-電流曲線測試結果

  圖6(a)給出了工作溫度為15℃時, 采用橫河6370D高精度光譜儀測得的VCSEL在5.5, 10和15 mA工作電流下的激光光譜. 可以看出, VCSEL在這3個工作電流下的激光光譜主峰模式(基模)與次級峰模式(高階模)的強度差呈現(xiàn)非常良好的單模輸出特性[21,22]. 當工作電流為10 mA時, VCSEL中心波長為1547.58 nm, 邊模抑制比(side mode suppression ratio, SMSR)達到了33 dB. 隨著工作電流增加, 出光波長出現(xiàn)紅移現(xiàn)象, 這是因為VCSEL在工作電流增加時內部熱效應增強導致的。

圖 6 工作溫度為15 ℃時, (a) VCSEL在不同電流下的單模激光光譜, 以及(b)出光波長與SMSR隨工作電流的變化關系

  VCSEL出光波長與SMSR隨工作電流的變化情況如圖6(b)所示. 當工作電流增加時, VCSEL的出光波長出現(xiàn)紅移. 從圖6(b)可以看出, VCSEL的出光波長隨工作電流呈近似線性變化, 波長漂移速率為0.13 nm/℃. VCSEL的SMSR參數(shù)隨工作電流呈現(xiàn)明顯波動. 工作電流在閾值電流附近(I = 5.5 mA)時, 由于VCSEL尚未正常激射, 因而其SMSR較低, 僅有13 dB. 隨著工作電流增加, SMSR快速增加. 當工作電流為13 mA時, VCSEL的SMSR達到最大值35.2 dB. 隨著工作電流超出15 mA, VCSEL的SMSR快速下降. 當工作電流為16 mA時, VCSEL的SMSR降至22.9 dB, 與文獻[21]中單模VCSEL的結果對比, 此時的SMSR仍高于20 dB, 可以認為VCSEL的激光光譜仍然保持著較好的單模狀態(tài). 根據(jù)圖5中的功率-電流曲線, 此時對應的VCSEL激光器單模出光功率為0.97 mW. 此后隨著工作電流繼續(xù)增加, SMSR數(shù)值降至20 dB以下, 激光器為多模工作. 更高工作電流下VCSEL單模性變差的主要原因是大電流下VCSEL有源區(qū)內有更為嚴重的熱積累. 由于VCSEL為類似光纖模式的波導模型, 在大電流下, 中心區(qū)域高的工作溫度使得VCSEL軸向折射率梯度進一步增加, 由此引起激光器對高階模式的導引效應增強, 這使得VCSEL的高階模式在大電流下更容易激射.

  5. 結 論

  本文報道了1550 nm波長的VCSEL研制結果. 采用高增益發(fā)光區(qū)量子阱與隧穿結臺面結構, 實現(xiàn)了2.6 mW的最大出光功率. 與國內其他單位報道相比, 在1550 nm波段VCSEL研究中首次突破毫瓦級的激光功率水平; 對VCSEL的單模性進行了測試, 證實其最大單模出光功率可以達到0.97 mW, 此時工作電流為16 mA. 由于大電流下VCSEL內部熱效應嚴重, 高階模式波導效應增強, 因而更高工作電流下VCSEL的SMSR數(shù)值急劇下降. VCSEL的波長隨工作電流有很好的線性變化, 波長隨電流漂移速率為0.13 nm/mA, 這在氣體傳感所需的穩(wěn)定波長調諧方面將會有很好的應用效果. 本文1550 nm VCSEL單元器件的結果為下一步通過陣列集成獲得高功率1550 nm VCSEL奠定了基礎. 高功率1550 nm波段VCSEL對于解決現(xiàn)階段激光雷達的人眼安全問題具有重要意義.

  論文第一作者是長光時空技術總監(jiān)、長春光機所張建偉教授，通訊作者是長光時空總經理張星，論文作者還包括中國科學院王立軍院士和寧永強教授。長光時空團隊在王立軍院士、寧永強教授的領導下，從2002年至今在高性能VCSEL芯片研發(fā)和產業(yè)化方面保持了與國外并跑發(fā)展。