潘冠中 荀孟 趙壯壯 孫昀 蔣文靜 周靜濤 吳德馨

(中國科學院微電子研究所,北京 100029)

本文針對激光雷達等三維傳感應用,設(shè)計并制備了905 nm 波長的高功率密度5 結(jié)級聯(lián)垂直腔面發(fā)射激光器(vertical cavity surface emitting laser,VCSEL).制備的5 結(jié)級聯(lián)VCSEL 單管(氧化孔徑8 μm)的功率轉(zhuǎn)換效率高達55.2%;其最大斜率效率為5.4 W/A,約為相同孔徑單結(jié)VCSEL 的5 倍.窄脈沖條件下(脈沖寬度為5.4 ns,占空比0.019%),5 結(jié)級聯(lián)19 單元VCSEL 陣列(單元孔徑20 μm)的峰值輸出功率達到58.3 W,對應的峰值功率密度高達1.62 kW/mm2.對不同孔徑器件(8—20 μm)的光電特性進行了測試和分析.結(jié)果顯示,這些器件的最大斜率效率均大于5.4 W/A,最大功率轉(zhuǎn)換效率均大于54%.這些高性能VCSEL 器件可作為激光雷達等三維傳感應用的理想光源.

1 引言

近年來,三維(three dimensional,3D)傳感技術(shù)在消費電子、醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域的應用越來越重要[1].傳統(tǒng)的圖像傳感技術(shù)依賴環(huán)境光,在昏暗的環(huán)境下和光束直接照射的情況下性能較差.3D 傳感技術(shù)不僅可以克服環(huán)境光的干擾,而且能夠采集深度信息,實現(xiàn)環(huán)境分析,具有更高的安全性和準確性[2].因此,3D 傳感技術(shù)已經(jīng)被廣泛應用到人臉識別、激光雷達、機器人等諸多應用場景.

在3D 傳感技術(shù)中,紅外光源作為光發(fā)射器,是必不可少的元件.常用的紅外光源主要包括紅外發(fā)光二極管(infrared light emitting diode,IR LED)[3],半導體邊發(fā)射激光器(edge emitting laser,EEL)[4]和垂直腔面發(fā)射激光器(vertical cavity surface emitting laser,VCSEL)[5].由于IR LED 發(fā)射的是非相干光,其發(fā)散角較大,且光譜較寬(約30—40 nm),與之匹配的濾波器帶寬較大,導致大量環(huán)境光進入到探測器中,造成信噪比降低.與IR LED 相比,EEL 和VCSEL 都是相干光源,具有較窄的光譜(大約幾個nm),從而可以獲得較高的信噪比.相對于傳統(tǒng)的單結(jié)低功率VCSEL,EEL 在功率轉(zhuǎn)換效率(power conversion efficiency,PCE)、人眼安全、以及遠程測距等方面更有優(yōu)勢,是目前激光雷達的主流光源.但是,EEL 的制備和封裝工藝較為復雜,且無法在片測試,制備成本較高.與EEL 平行于襯底出光不同,VCSEL 垂直于襯底出光,不僅可以實現(xiàn)在片測試,而且可以容易集成二維陣列,通過控制陣列單元數(shù)目就可以實現(xiàn)出光功率的縮放,對優(yōu)化輸出功率提供了很大的靈活性.此外,VCSEL 還具有高可靠性、低制造成本、圓形光斑、溫度穩(wěn)定性高等優(yōu)勢.因此,VCSEL 越來越受重視,并正在逐漸成為激光雷達等3D 傳感應用的首選光源[6-11].

然而,由于傳統(tǒng)VCSEL 的增益區(qū)域較短,VCSEL 單管的輸出功率通常小于EEL 單管的輸出功率.在許多3D 傳感應用中,特別是中遠程激光雷達,高峰值脈沖功率、高功率密度和高功率轉(zhuǎn)換效率是對光源的基本要求.通常,將VCSEL 單管的出光孔徑增大,或?qū)⒍鄠€VCSEL 單管集成到一個陣列中,通過增加陣列發(fā)光單元的數(shù)目,來提高輸出功率[12].但這些方法會增大VCSEL 器件的發(fā)光面積,不僅會降低光功率密度,且會對后期的光束準直帶來困難.

相比于傳統(tǒng)的單結(jié)VCSEL 器件,多結(jié)級聯(lián)VCSEL 在外延生長過程中,將多個有源區(qū)在同一個諧振腔內(nèi)通過隧道結(jié)串聯(lián)起來,從而可以獲得較大的增益[13].在不增加芯片面積的情況下,多結(jié)級聯(lián)VCSEL 的光輸出功率相對于同孔徑單結(jié)VCSEL 的輸出功率呈倍數(shù)提升,不僅可以獲得較高的功率密度,而且能夠大大地提高VCSEL 器件的PCE.此外,增益的提高可以降低多結(jié)VCSEL的工作電流,從而減小驅(qū)動電路的功耗和成本,也可以實現(xiàn)電壓和電流的折中優(yōu)化以提高驅(qū)動電路的兼容性.

目前,多結(jié)級聯(lián)技術(shù)已廣泛應用在邊發(fā)射半導體激光器中.Muller等[14]于2007 年提出了激射波長為940 nm 的3 結(jié)級聯(lián)激光器,在脈沖電流下(脈沖寬度100 μs,占空比1%)得到的最大輸出功率為615 W,斜率效率為3.38 W/A.Boucher等[15]于2009 年提出了1550 nm 長波長的3 結(jié)級聯(lián)激光器,峰值輸出功率大于37 W,斜率效率是單結(jié)激光器的2.5 倍.多結(jié)級聯(lián)VCSEL 的相關(guān)研究主要集中在20 世紀末和21 世紀初.Kotaki等[16]在1984 年最先提出了波長1.22 μm 的雙結(jié)級聯(lián)VCSEL,其閾值電流相比于單結(jié)器件減小了1.4—2.5 倍.Schmid等[17]于1998 年在多結(jié)級聯(lián)VCSEL中實現(xiàn)了大于100%的微分量子效率.隨后,該課題組在2001 年實現(xiàn)了3 結(jié)級聯(lián)VCSEL,在9 mA的電流下得到7.2 mW 的輸出功率,微分量子效率達到130%,功率轉(zhuǎn)換效率為16%[18].Kim等[19]開展了關(guān)于1.55 μm 的多結(jié)級聯(lián)VCSEL 的研究,設(shè)計的3 結(jié)VCSEL 在脈沖條件下實現(xiàn)了大于100%的微分量子效率.近期,本課題組研制了雙結(jié)級聯(lián)905 nm VCSEL,斜率效率2.27 W/A,接近單結(jié)VCSEL 的2倍[20].如今,隨著中遠程激光雷達等應用對VCSEL 器件提出了更高的功率需求,許多VCSEL 制造商如Lumentum、Osram 等也加大了多結(jié)級聯(lián)VCSEL 的研發(fā)力度.

本文針對激光雷達等3D 傳感應用,設(shè)計并制備了905 nm 波長的高功率密度5 結(jié)級聯(lián)VCSEL器件,并對多結(jié)VCSEL 的設(shè)計、器件結(jié)構(gòu)和輸出特性進行了詳細的分析和討論.

2 器件設(shè)計和制備

本文設(shè)計的5 結(jié)級聯(lián)VCSEL 器件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(a)所示,由實際器件圖中的A-A'方向截取得到.采用金屬有機物化學氣相沉積(metalorganic chemical vapor deposition,MOCVD)首先在GaAs 襯底上生長40 對N 型Al0.12Ga0.88As/Al0.9Ga0.1As 分布布拉格反射鏡(N type distributed Bragg reflectors,N-DBRs).接著,在N-DBRs上方外延生長5 個有源區(qū),每個有源區(qū)包含3 對6 nm 厚的In0.12Ga0.88As 量子阱層和8 nm 厚的Al0.3Ga0.7As 勢壘層.有源區(qū)之間通過厚度為25 nm的重摻雜GaAs 隧道結(jié)連接起來.需要注意的是,由于隧道結(jié)摻雜濃度很高,為了減小隧道結(jié)的光吸收損耗,需要將隧道結(jié)置于駐波場的波節(jié)上;而為了增大光增益,需要將量子阱放置在駐波場的波腹處,如圖1(b)所示.每個有源區(qū)上方均放置一層Al0.98Ga0.02As 高鋁組分層,利用濕法氧化將其外圍氧化為絕緣的AlOx,就可以將每個有源區(qū)的注入電流限制在氧化孔內(nèi),從而減少電流擴展,提高器件的微分量子效率.濕法氧化的條件如下: 爐溫420 ℃,N2流量0.95 L/min,水溫95 ℃.待整個有源區(qū)生長完成后,在其上方生長15 對P 型Al0.12Ga0.88As/Al0.9Ga0.1As 分布布拉格反射鏡(P type distributed Bragg reflectors,P-DBRs),最后外延生長歐姆接觸層.

圖1 (a) 5 結(jié)級聯(lián)VCSEL 的結(jié)構(gòu)示意圖,插圖為制備得到的實際器件;(b) 駐波場中量子阱和隧道結(jié)的位置示意圖Fig.1.(a) Schematic diagram of five-junction cascade VCSEL structure,the inset is the top view of a fabricated device;(b) position diagram of quantum well and tunnel junction in standing wave.

器件的制作過程如下.首先,在出光孔外圍制作環(huán)形Ti/Pt/Au 歐姆接觸P 電極.然后,采用感應耦合等離子體(inductive coupled plasma,ICP)刻蝕至N-DBR,將VCSEL 臺面所有的高鋁層暴露出來.接著,采用濕法氧化法將高鋁層外圍氧化,形成氧化孔.接下來,在P 電極上方電鍍3 μm 厚金,改善橫向散熱,有利于提高器件的溫度特性.然后,將襯底減薄至150 μm,并在其表面蒸發(fā)AuGeNi/Au 形成N 型電極.最后,對器件進行快速熱退火,形成良好的歐姆接觸.為了更好地分析5 結(jié)級聯(lián)VCSEL 的光電性能,不僅制備了不同孔徑的器件,同時還采用相同的工藝制備了905 nm單結(jié)VCSEL 器件作為對比.該單結(jié)VCSEL 器件除了需要較多的P-DBR 對數(shù)(18 對)來保證正常激射,其外延層組分、器件結(jié)構(gòu)和制備工藝均和5 結(jié)級聯(lián)VCSEL 器件相同.

3 實驗結(jié)果及討論

在室溫連續(xù)(continuous wave,CW)條件下,8 μm 氧化孔徑的5 結(jié)級聯(lián)VCSEL 單管的光功率-電流(light-current,L-I)特性、電壓-電流(voltagecurrent,V-I)特性、功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)、以及光譜如圖2(a)—(d)所示.相同孔徑的單結(jié)VCSEL的測試特性曲線也呈現(xiàn)在圖中作為對比.從L-I特性曲線可以發(fā)現(xiàn),5 結(jié)VCSEL 和單結(jié)VCSEL 的閾值電流分別為0.6 mA 和0.8 mA,相應的P 型DBR 的對數(shù)分別為15 對和19 對.雖然5 結(jié)VCSEL的P-DBR 對數(shù)少,但是由于5 個有源區(qū)級聯(lián)可以大大提高光增益,從而減小了器件閾值.單結(jié)VCSEL和5 結(jié)級聯(lián)VCSEL 的飽和功率分別為18.3 mW和33.5 mW.在線性區(qū)域內(nèi),相同電流下5 結(jié)VCSEL 的輸出功率是單結(jié)的5 倍以上.例如當注入電流I=4 mA 時,單結(jié)VCSEL 輸出功率只有3.4 mW,而5 結(jié)級聯(lián)VCSEL 輸出功率為18.1 mW,是單結(jié)功率的5.3 倍.另外,單結(jié)VCSEL 的最大斜率效率只有1.1 W/A,而5 結(jié)級聯(lián)VCSEL 的最大斜率效率為5.4 W/A,是單結(jié)斜率效率的近5 倍.除此之外,當輸出功率均為10 mW 時,單結(jié)VCSEL 需要的驅(qū)動電流為10 mA,而5 結(jié)級聯(lián)VCSEL 需要的驅(qū)動電流僅為2.4 mA,這有益于減小驅(qū)動電路的功耗和成本.

圖2 氧化孔徑8 μm 的5 結(jié)VCSEL 與單結(jié)VCSEL 在室溫CW 條件下的測試結(jié)果 (a) L-I 曲線;(b) V-I 曲線;(c) PCE-L 曲線;(d) 5 結(jié)VCSEL 在1 mA 下的光譜Fig.2.Measured results of 5-junction VCSEL and single junction VCSEL with 8 μm oxide aperture under CW condition at room temperature: (a) L-I curves;(b) V-I curves;(c) PCE-L curves;(d) spectrum of 5-junction VCSEL measured at 1 mA.

圖2(b)對比了單結(jié)VCSEL 和5 結(jié)級聯(lián)VCSEL的V-I特性.由于5 結(jié)級聯(lián)VCSEL 比單結(jié)VCSEL多了4 個有源區(qū)和4 個隧道結(jié)以及額外的一些匹配層,其開啟電壓要大于單結(jié)VCSEL 的開啟電壓.從圖2(b)可以發(fā)現(xiàn),單結(jié)VCSEL 的開啟電壓只有1.54 V,而5 結(jié)級聯(lián)VCSEL 的開啟電壓高達6.89 V,但比其光子能帶電壓6.85 V 僅大了40 mV,沒有引入太多的額外電壓,證明隧道結(jié)的設(shè)計、摻雜濃度和生長質(zhì)量較好.另外,從圖2(b)可以看出,5 結(jié)VCSEL 的串聯(lián)電阻約為157 Ω,大于單結(jié)VCSEL 的串聯(lián)電阻90 Ω.這也是因為在5 結(jié)VCSEL 內(nèi),多個有源區(qū)、隧道結(jié)和匹配層的存在,使串聯(lián)電阻增大.圖2(c)展示了兩種器件的PCE,單結(jié)的最大PCE 只有44.1%,且隨著功率的增大而迅速降低;5 結(jié)VCSEL 的最大PCE為55.2%,且在9—30 mW 區(qū)間均保持在50%以上,這意味著5 結(jié)VCSEL 可以在較大的功率下仍然保持較高的PCE,這對于實際應用是至關(guān)重要的.圖2(d)所示的是5 結(jié)VCSEL 在1 mA 時的光譜,其激射波長在905 nm 附近,符合預期設(shè)計.由于在8 μm氧化孔徑下,VCSEL為多橫模激射,因此在光譜圖中顯示為多個峰值.綜合上述測試結(jié)果,5 結(jié)級聯(lián)VCSEL 相對于單結(jié)VCSEL 器件,在功率、斜率效率及PCE 等方面具有較大的擴展能力,在許多大功率應用方面具有更大的優(yōu)勢.

圖3 是在室溫下測得的單結(jié)VCSEL 和5 結(jié)級聯(lián)VCSEL 在不同耗散功率下的基模峰值波長的變化情況.耗散功率(Pdiss)定義為輸入功率減去輸出的光功率(Pout),Pdiss=I×V—Pout.其中,

I為工作電流,V為工作電壓.從圖3 可以發(fā)現(xiàn),隨著耗散功率的增加,兩種器件基模光譜均發(fā)生紅移,且5 結(jié)VCSEL 紅移速率要比單結(jié)VCSEL紅移速率大.通過對測量數(shù)據(jù)進行線性擬合,可以得到5 結(jié)VCSEL 和單結(jié)VCSEL 隨耗散功率的紅移速率(Δλ/ΔPdiss)分別為0.1739 nm/mW 和0.1390 nm/mW.由于5 結(jié)VCSEL 和單結(jié)VCSEL量子阱材料、DBR 材料均相同,其基橫模光譜隨溫度的紅移速率Δλ/ΔT相同,均為0.0638 nm/℃[21].對于VCSEL 器件,其熱阻Rth的計算公式為Rth=ΔT/ΔPdiss=(Δλ/ΔPdiss)/(Δλ/ΔT).通過計算得到,5 結(jié)VCSEL 的熱阻為2.73 ℃/mW,單結(jié)VCSEL 的熱阻為2.18 ℃/mW.5 結(jié)VCSEL 的熱阻大于單結(jié)VCSEL 的熱阻,這是因為多個氧化層的引入,熱量更難向襯底和側(cè)向傳導.因此,對于多結(jié)VCSEL 器件,一般采用窄脈沖驅(qū)動方式來降低其內(nèi)部產(chǎn)熱從而獲得較大的峰值輸出功率.

圖3 單結(jié)VCSEL 和5 結(jié)VCSEL 器件的基模光譜隨耗散功率的變化關(guān)系Fig.3.Variation of fundamental mode spectra of single junction VCSEL and 5-junction VCSEL devices with dissipated power.

接下來,在CW 條件下測試了8 μm 孔徑5 結(jié)級聯(lián)VCSEL 在不同環(huán)境溫度下的特性曲線,如圖4所示.顯然,器件輸出功率隨著環(huán)境溫度的升高而降低.當溫度為25 ℃時,器件的最大輸出功率為33.5 mW,器件閾值為0.6 mA.當溫度增加到85 ℃時,最大輸出功率降低到17.5 mW,閾值增大到1.0 mA.當溫度進一步增加到125 ℃時,器件依然能正常工作,最大功率超過6.0 mW,如圖4(a)所示.隨著溫度的增加,器件開啟電壓略微減小,如圖4(b)所示,這是由于溫度升高,本征載流子濃度升高,同時費米能級帶隙減小導致的.隨著溫度的增加,雖然器件的電壓略微減小,但由于器件的功率降低,且閾值增大,導致器件的PCE 隨著溫度的升高而下降,如圖4(c)所示.將不同溫度下器件的最大PCE 和最大SE 提取出來,如圖4(d)所示.隨著溫度的升高,器件的最大PCE 和最大SE都在下降.當溫度上升到85 ℃時,器件的最大PCE依然保持在42.7%,最大斜率效率仍大于4.3 W/A,展示出較好的溫度特性.

圖4 氧化孔徑8 μm 的5 結(jié)VCSEL 在不同溫度下的測試結(jié)果 (a) L-I曲線;(b) V-I 曲線;(c) PCE-I曲線;(d)最大PCE 和SE 隨溫度的變化Fig.4.Measured results of 5-junction VCSEL with 8 μm oxide aperture under CW condition at different temperatures: (a) L-I curves;(b) V-I curves;(c) PCE-I curves;(d) max PCE and SE versus temperature.

此外,在CW 條件下測試了不同孔徑的5 結(jié)級聯(lián)VCSEL 單管的光電特性,如圖5 所示.從圖5(a)所示的L-I曲線可以發(fā)現(xiàn),隨著氧化孔徑從8 μm 增大到20 μm,器件的閾值從0.6 mA 增大到2 mA;器件的最大功率從33.5 mW 增大到70.2 mW.從圖5(a)中還可以看出,孔徑越大,器件的熱翻轉(zhuǎn)電流越大,這是因為大孔徑器件的有源區(qū)面積更大,電流密度更低.隨著孔徑增大,器件的最大PCE 沒有發(fā)生明顯變化,如圖5(c)所示.我們將不同孔徑器件的最大PCE 和最大SE 提取到圖5(d)中,可以發(fā)現(xiàn),所有器件的最大斜率效率均大于5.4 W/A,最大PCE 均大于54%,展示出很好的性能均一性.

圖5 不同氧化孔徑5 結(jié)VCSEL 器件在室溫下 (a) L-I 曲線;(b) V-I 曲線;(c) PCE-I 曲線;(d) 最大PCE 和SE 隨孔徑的變化Fig.5.Measured results of 5-junction VCSELs with different oxide apertures under CW condition at room temperature: (a) L-I curves;(b) V-I curves;(c) PCE-I curves;(d) max PCE and SE versus oxide aperture.

最后,制備了19 單元5 結(jié)VCSEL 陣列,單元氧化孔徑為20 μm,制備得到的實際陣列及其尺寸如圖6(a)所示.整個陣列有源區(qū)的直徑為0.214 mm,陣列的總發(fā)光面積為0.036 mm2.測試了該19 單元VCSEL 陣列在窄脈沖條件下(脈沖寬度5.4 ns,占空比0.019%)不同驅(qū)動電路板電壓下的峰值輸出功率.圖6(b)是驅(qū)動電路板電壓為25 V 下測得的陣列光功率響應曲線,可以看出,脈沖寬度(半高全寬)為5.4 ns.圖6(c)展示了19 單元陣列的峰值輸出功率隨驅(qū)動板電壓的變化,可以發(fā)現(xiàn),峰值功率隨著驅(qū)動板電壓先線性增大后趨近飽和,測得的最大峰值功率達到58.3 W,對應的最大峰值功率密度為1.62 kW/mm2.這種高峰值功率、高功率密度的多結(jié)級聯(lián)VCSEL 陣列在中遠距離激光雷達的應用中具有誘人的應用前景.

圖6 (a) 制備的19 單元5 結(jié)VCSEL 陣列的俯視圖和尺寸示意圖;(b) 驅(qū)動板電壓為25 V 下陣列的光功率響應曲線;(c) 19 單元陣列的峰值輸出功率隨驅(qū)動板電壓的變化Fig.6.(a) Structure and size diagram of the fabricated19-element 5-junction VCSEL array;(b) the optical power response curve of the array at driving circuit board voltage of 25 V;(c) peak output power of the array versus circuit board driving voltage.

4 結(jié)論

設(shè)計并制備了5 結(jié)級聯(lián)905 nm VCSEL 及其陣列,CW 條件下不同孔徑的器件最大斜率效率均大于5.4 W/A,最大PCE 均大于54%.窄脈沖條件下測試得到的19 單元5 結(jié)VCSEL 陣列的最大峰值功率達到58.3 W,峰值功率密度為1.62 kW/mm2.相對于單結(jié)VCSEL,5 結(jié)級聯(lián)VCSEL 在輸出功率、斜率效率及功率轉(zhuǎn)換效率等性能上具有較大的優(yōu)勢.下一步我們會繼續(xù)增加VCSEL 的結(jié)數(shù),以獲得更高的功率密度.另外,也需要解決多結(jié)VCSEL 的散熱問題,提高器件的可靠性.