摘要:利用PICS3D计算得到InGaAs/GaAsP应变补偿量子阱的增益特性, 得到量子阱的各项参数, 再通过传输矩阵理论和TFCalc膜系设计软件分别仿真出上下分布式布拉格反射镜的白光反射谱. 采用金属有机化合物气相沉积技术外延生长了垂直腔面发射激光器结构, 之后通过干法刻蚀、湿法氧化以及金属电极等芯片技术制备得到8 ${\text{μm}}$氧化孔径的VCSEL芯片. 最终, 测试得到其光电特性实现室温下阈值电流和斜效率分别为0.95 mA和0.96 W/A, 在6 mA电流和2 V电压下输出功率达到4.75 mW, 并测试了VCSEL的高温特性.
关键词: 垂直腔面发射激光器/
分布式布拉格反射镜/
量子阱/
金属有机化合物气相沉积

English Abstract

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从940 nm半导体激光器研制以来, 有很多研究者专注于高功率和高亮度的研究. 2007年, Fiebig等^[1]实现了940 nm半导体激光器超过100 W的准连续输出. 2011年, Berk等^[2]研制了940 nm半导体激光器抽运的准连续激光器, 实现200 W的输出功率. 然而, 近年来由于三维(3D)摄像头的迅速发展, 940 nm垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL)成为了新的研究热点^[3,4]. 940 nm VCSEL由于具有转换效率高、斜效率高、易于集成及分辨率高和避免红暴的特性成为了3D摄像头的理想光源, 并有望被应用到虚拟现实、增强现实及汽车辅助驾驶中. 多样的应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已经积累了大量的VCSEL方面的专利^[5-8]. 尤其是Princeton Optronics公司, 一直在940 nm VCSEL方面处于领先地位, 已经达到了室温下斜效率1.1 W/A. 在国外高校中, 乌尔姆大学以及查尔姆斯理工大学在VCSEL领域也做了大量的研究^[9-12]. 在国内, 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所在大功率980 nm VCSEL方面取得了突出成果^[13-15], 北京工业大学在高速850 nm VCSEL方面也积累了大量的经验^[16-19]. 但目前国内940 nm VCSEL的研究还处于萌芽状态, 相对于应用在光通信的850 nm VCSEL来说, 由于波长的增加, 需要In含量更多的阱层材料以减小禁带宽度, 实现940 nm波长的光输出, 从而导致失配更加严重. 因此必须对量子阱进行改进设计, 以满足940 nm VCSEL的应用需求. 而相对大功率的980 nm VCSEL而言, 940 nm VCSEL的氧化孔径要小几十分之一. 所以综上所述, 需要对940 nm VCSEL的外延结构进行改进设计以制作得到VCSEL芯片.
基于940 nm VCSEL的不同应用要求, 斜效率成为了最为重要的指标之一. 本文中, 有源区采用InGaAs/GaAsP应变补偿多量子阱(MQWs), 相较普遍采用的InGaAs/AlGaAs MQWs, 应变补偿MQWs由于应变补偿的作用具有以下两个优点; 第一, 可以生长In含量更大的阱层材料, 以提高MQWs的微分增益和满足更高的工作温度要求; 第二, 可以生长更多对数的MQWs以提高VCSEL的光功率. 通过PICS3D对MQWs增益特性进行计算, 以得到合适的量子阱中In的组分、阱层厚度及势垒中P的组分和垒层厚度. 分布式布拉格反射镜(DBRs)由高低折射率的两种材料堆叠组成, 并且在两种材料交界处加入渐变层以减小两种材料间的势垒尖峰, 从而达到减小DBRs的串联电阻的作用, DBRs的反射率可达到99%以上. DBRs的反射谱由TFCalc软件进行仿真计算. 根据仿真结果, 通过金属有机化合物气相沉积(MOCVD)对MQWs和DBRs进行生长, 在对这两部分优化生长后再对VCSEL全结构进行生长, 并通过芯片工艺制备得到VCSEL芯片.

有源区作为VCSEL的核心区域可以将电输入转化为光输出, 激光的激射波长、功率、阈值和斜效率都受有源区参数的影响. MQWs的峰值增益波长与VCSEL全结构白光反射谱的腔模凹陷相对应, 否则可能导致不激射. 由于VCSEL工作时会导致温度上升出现波长红移现象, 所以将MQWs的峰值增益波长设计为928 nm. 有源区由5对应变补偿量子阱组成, 其中阱层为4.4 nm的In_0.16Ga_0.84As, 垒层为6.2 nm的GaAs_0.88P_0.12, 在300 K下, 计算得到阱层材料的压应变量为1.1%, 垒层材料的张应变量为–0.4%, 在应变补偿的作用下其应变量为0.7%^[20,21]. 光功率可以通过增加量子阱对数的方法得到提高, 但是应力作用会限制生长量子阱的临界厚度, 而应变补偿量子阱可以在一定程度上增加其临界厚度, 以生长相对更多的量子阱. 通过PICS3D模拟的MQWs增益谱如图1所示, 其峰值增益波长在928 nm附近. 利用MOCVD对MQWs进行外延生长, 并通过光致发光光谱仪测得MQWs的光致发光(PL)光谱(激光光源为532 nm的Nd:YAG激光器)如图2所示, 可知其PL峰值波长在927.9 nm附近, 与PICS3D模拟的峰值增益波长匹配完好, 半高全宽(FWHM)为17.1 nm左右, 说明MQWs的生长质量较好. 图3为高分辨率X射线衍射(HRXRD)曲线, MQWs的周期厚度可以通过以下方程进行计算:
图 1 MQWs材料增益特性曲线
Figure1. Material gain characteristics curve of MQWs.

图 2 MQWs的PL光谱
Figure2. The PL spectrum of MQWs.

图 3 MQWs HRXRD曲线
Figure3. The HRXRD curve of MQWs.

$D = \frac{\lambda }{{2\left(\sin {\theta _{L + 1}} - \sin {\theta _L}\right)}}, $

其中$\lambda$为X射线(Cu靶)波长, $\theta$为衍射峰角度. 根据(1)式可计算得到外延生长MQWs的周期厚度为10.858 nm, 与设计的周期厚度匹配程度较好.
位于谐振腔两侧的分别为n-和p-DBRs, 由于VCSEL的谐振腔腔长较短, 通过采用DBRs结构作为反射镜可以获得高反射率, 并起到减小腔镜损耗的作用. n-DBRs由28对AlAs/Al_0.12Ga_0.88As和3.5对Al_0.90Ga_0.10As/Al_0.12Ga_0.88As组成, 位于谐振腔的下侧, p-DBRs由23对Al_0.90Ga_0.10As/Al_0.12Ga_0.88As组成, 位于谐振腔的上侧. 为降低DBRs的串联电阻, n-和p-DBRs的各层材料之间均插入20 nm的渐变层, 每层材料和渐变层的光学厚度之和为$\lambda/4$ ($\lambda$ = 940 nm). Al_xGa_1–xAs材料的折射率n由以下方程计算得到^[20]:

$n(\lambda ) = \sqrt {{A_0}\left[f(x) + \frac{{f({\chi _{S0}})}}{2}{{\left(\frac{{{E_0}}}{{{E_0} + {\varDelta _0}}}\right)}^{\frac{3}{2}}}\right] + {B_0}}, $

其中

$f(x) = \frac{{2 - \sqrt {1 + x} - \sqrt {1 - x} }}{{{x^2}}};$

$x = \frac{{hc}}{{\lambda {E_0}}};$

${\chi _{S0}} = \frac{{hc}}{{\lambda ({E_0} + {\Delta _0})}}, $

在此方程中Al_xGa_1–xAs的室温常量为: $\lambda$是波长, h = 6.626·10^–34 J·s是普朗克常数, c = 2.998$\times$10⁸ m/s是真空中光速, $hc/\lambda $是光子能量;

${A_0}(x) = 6.3 + 19.0x;$

${B_0}(x) = 9.4 - 10.2x;$

${E_0}(x) = 1.425 + 1.155x + 0.37{x^2}\left[ {{\rm{eV}}} \right];$

${E_0}(x) + {\varDelta _0}(x) = 1.765 + 1.115x + 0.37{x^2}\left[ {{\rm{eV}}} \right].$

通过计算可得, 在940 nm波长下Al_0.12Ga_0.88As, Al_0.90Ga_0.10As和AlAs的折射率n分别为3.4795, 3.0342和2.9761; Al_0.12Ga_0.88As, Al_0.90Ga_0.10As和AlAs的物理厚度为67.54, 77.45和78.96 nm. 由于有20 nm渐变层的插入, 为保持高低折射率材料和渐变层的光学厚度之和为$\lambda/4$, Al_0.12Ga_0.88As, Al_0.90Ga_0.10As和AlAs的物理厚度应分别减小18.64, 21.37和21.70 nm.
DBRs的反射谱可以由以下传输矩阵进行计算^[22,23]:

$\begin{bmatrix}B\\C\end{bmatrix} = \prod\limits_{j = 1}^k \begin{bmatrix}{\rm{\cos}}{{{\delta}} _j} &\dfrac{{\rm{i}}}{{{{{\eta}} _j}}}{\rm{sin}}{{{\delta}} _j}\\{\rm{i}}{{{\eta}} _j}{\rm{sin}}{{{\delta}} _j}& {\rm{cos}}{{{\delta}} _j} \end{bmatrix} \begin{bmatrix}{{1}}\\{{{\eta}} _{k + 1}}\end{bmatrix}, $

其中右侧第一个矩阵为第j层的特性矩阵, ${\delta _j}$和${\eta _j}$分别为相位厚度和光学导纳; ${\eta _{k + 1}}$为出射介质的光学导纳. 当光垂直入射时, ${\delta _j}$和${\eta _j}$可表示为

${\delta _j} = \frac{{2{\text{π}}}}{\lambda }\left({n_j} + {\rm{i}}\frac{{{\alpha _j}\lambda }}{{4{\text{π}}}}\right){d_j}, $

${\eta _j} = {n_j} + {\rm{i}}\frac{{{\alpha _j}\lambda }}{{4{\text{π}}}}, $

其中$\lambda$为入射波长; n_j, ${\alpha _j}$和d_j分别为第j层的折射率、吸收系数以及物理厚度. 反射率R可以通过以下方程计算得到:

$R = \frac{{\left({\eta _0 }B - C\right){{\left({\eta _0}B - C \right)}^ * }}}{{\left({\eta _0}B + C \right){{\left({\eta _0}B + C \right)}^ * }}}.$

图4为p-和n-DBRs的PL反射谱(白光光源)的模拟和实验结果, 中心波长为938.7 nm, 并且p-和n-DBRs的反射率分别约为99.0%和99.7%. 模拟结果和实验结果高度符合.
图 4 (a)p-DBRs PL反射谱; (b) n-DBRs PL反射谱
Figure4. (a) The PL reflection spectra of p-DBRs; (b) the PL reflection spectra of n-DBRs.

图5为VCSEL的结构示意图, Spacer层位于有源区的两侧, 氧化层为Al_0.98Ga_0.02As. 顶部的p型接触层和底部的缓冲层均为GaAs. 实验使用的为美国Veeco公司生产的K475i型MOCVD设备. VCSEL外延结构生长在4寸GaAs衬底上. 图6为VCSEL外延片的PL白光反射谱, 其F-P腔模波长为939.5 nm. 在外延生长之后, 通过干法刻蚀、湿法氧化、金属电极等工艺制备得到了VCSEL芯片. 在干法刻蚀过程中, 使用BCl₃和Cl₂将台面刻蚀, 刻蚀深度约为3500 nm. 在湿法氧化过程中, 首先将氧化炉提前加热15 min, 随后在425 ℃下用200 sccm (1 sccm = 1 mL/min)的氮气进行氧化, 氧化速率为0.40 ${\text{μm/min}}$, 氧化孔径大小为8 ${\text{μm}}$. 在金属电极工艺中, 将AuGeNi合金溅射到VCSEL顶层制备得到p型欧姆接触层, 而Ti/Pt/Au被蒸镀到衬底的背面制备得到n型欧姆接触层, 随后在氮气氛围下在350 ℃下进行快速退火形成良好的欧姆接触. 图7为VCSEL的台面和氧化层SEM照片, 可以清楚地看到刻蚀台面情况及氧化层的氧化深度. VCSEL芯片金相显微镜照片如图8所示, 芯片为异面电极结构, 其中氧化孔径为8 ${\text{μm}}$ (红外光源电感耦合器件(CCD)可见).
图 5 VCSEL结构示意图
Figure5. Schematic diagram of VCSEL structure.

图 6 VCSEL白光反射谱
Figure6. White light illuminant reflection spectrum of VCSEL.

图 7 VCSEL台面和氧化孔径图片
Figure7. The SEM image of VCSEL mesa and oxide aperture.

图 8 VCSEL金相显微镜图片
Figure8. Microscopy image of VCSEL chip.

生长完成的外延片被分为两个区域进行光电特性测试, 如图9所示. 根据实验经验, 生长过程中的误差会导致边缘区域误差相对更大, 所以区域1的光电特性相对更好, 而区域2则代表了外延片上的平均水平. 这里选择区域1中的5颗VCSEL芯片进行L-I-V测试. 测试结果如图10所示, 这5颗VCSEL芯片有很好的一致性, 室温下阈值电流为0.95 mA, 斜效率为0.96 W/A, 在6 mA和2 V工作条件下其输出功率达到4.75 mW.
图 9 VCSEL外延片区域示意图
Figure9. Diagrammatic of VCSEL wafer.

图 10 VCSEL区域1的L-I-V特性
Figure10. The L-I-V characteristics of VCSEL in area 1.

在区域2中选取一颗VCSEL芯片进行测试, 图11所示为该芯片室温下不同电流下的光谱图, 激射波长为944.5 nm. 在不同电流下其FWHM均保持在1 nm左右.
图 11 室温下不同电流的光谱图
Figure11. Emission spectra for VCSELs at various injection current at room temperature.

图12为区域2中940 nm VCSEL的变温L-I-V特性曲线. 在0—40 ℃温度区间, 阈值电流一直保持在1 mA, 在50和60 ℃阈值电流增加到1.2 mA, 在80 ℃时, 其阈值电流为1.9 mA. 斜效率在25 ℃时最大, 为0.81 W/A, 在0—50 ℃期间变化不明显, 在80 ℃时, 斜效率最低, 为0.57 W/A. 在光功率方面, 在0, 25, 80 ℃时, 分别为3.588, 3.850和2.323 mW. 在0—50 ℃时由于采用应变补偿量子阱的原因使得电子很好地限制在量子阱中, 使得阈值电流、斜效率以及光功率变化很小. 但是随着温度的不断提高, 可以发现在80 ℃时各项参数衰减严重, 主要原因是量子阱中电子获得能量泄漏, 导致微分增益下降, 并且在高温下其DBRs反射镜的反射率有一定下降, 并且损耗加大, 最终导致了其各项参数的降低. 图13为VCSEL在6 mA工作电流下的远场光斑与发散角, 可以看出为对称高斯光束输出, 发散角为18.563°.
图 12 VCSEL的L-I-V特性曲线　(a)光功率特性; (b)电压电流特性; (c)阈值电流和斜效率随温度变化
Figure12. The L-I-V characteristics 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.

图 13 VCSEL远场光斑与发散角
Figure13. Far field spot and divergence angle of VCSEL.

本文研制了以InGaAs/GaAsP应变补偿量子阱作为有源区的940 nm VCSEL, 通过自主MOCVD外延和芯片制备工艺得到VCSEL芯片. 在室温下, 其斜效率和阈值电流分别为0.96 W/A和0.95 mA, 在6 mA和2.0 V工作条件下光功率达到4.75 mW. 测试了同一片外延片的其他区域的VCSEL芯片的变温特性, 阈值电流和斜效率在0—50 ℃范围内变化不明显, 在高温80 ℃时, 阈值电流和斜效率分别为1.9 mA和0.57 W/A, 光功率为2.323 mW. 未来, 通过改进工艺, 以及优化关键参数会制备得到斜效率更大的VCSEL芯片, 以满足各类应用场景的需求.