陳加偉 李豫東 瑪麗婭·黑尼 郭 旗 劉希言

1（中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所特殊環(huán)境功能材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 烏魯木齊 830011）

2（中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

3（天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院 天津 300072）

Melngailis首次在1965年提出激光垂直腔面發(fā)射的思想［1］后，1977年誕生了第一只垂直腔面發(fā)射激 光 器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL）［2］。該結(jié)構(gòu)的激光器使得注入電流在有源區(qū)產(chǎn)生的激光經(jīng)過上下分布布拉格（Distributed Bragg Reflection，DBR）反射后可以垂直于正表面射出。此外，VCSEL還兼?zhèn)涞烷撝惦娏鳎咚俑哳l調(diào)制，工藝成本低，遠(yuǎn)場(chǎng)圖對(duì)稱和容易二維集成等優(yōu)點(diǎn)［3-5］。自20世紀(jì)90年代中期以來，基于GaAs材料和氧化工藝的快速發(fā)展使得850 nm VCSEL一直是基于光纖的數(shù)據(jù)通信鏈路的標(biāo)準(zhǔn)光源。短程光纖通信傳輸速率快、體積功耗小和抗電磁干擾等優(yōu)勢(shì)，使其在航空航天、衛(wèi)星通信和強(qiáng)核輻射環(huán)境領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力［6-7］。

VCSEL在空間輻射環(huán)境中應(yīng)用時(shí)長(zhǎng)期承受各種粒子輻射影響，包括大量電子、質(zhì)子和重離子。這些高能帶電粒子與VCSEL相互作用產(chǎn)生位移損傷輻射效應(yīng)，直接影響VCSEL光電參數(shù)，使得光纖通信系統(tǒng)性能下降甚至失效［8］，而地面模擬需要做大量實(shí)驗(yàn)以最大程度評(píng)估實(shí)際空間輻射環(huán)境下的可靠性［9］。因此，研究不同能量粒子的損傷等效以及了解VCSEL在輻射環(huán)境下的退化機(jī)理對(duì)于VCSEL在衛(wèi)星中的應(yīng)用具有非常重要的價(jià)值。

人們已經(jīng)對(duì)VCSEL在輻射下的參數(shù)退化進(jìn)行了許多研究。輻射源覆蓋了大多數(shù)粒子，包括γ射線、中子、質(zhì)子、電子和重離子［10-14］。從最早的實(shí)驗(yàn)規(guī)則定性探索開始，逐步深入研究GaAs/AlGaAs材料降解的物理機(jī)制［15］。然而，借助仿真軟件深入分析參數(shù)退化機(jī)制鮮有報(bào)道。本文對(duì)850 nm VCSEL進(jìn)行了3 MeV和10 MeV質(zhì)子輻照及仿真研究，使用位移損傷劑量（Displacement Damage Dose，DDD）等效參數(shù)的退化并通過Silvaco仿真獲得了和實(shí)驗(yàn)一致的結(jié)果。此外，進(jìn)一步結(jié)合Silvaco仿真軟件對(duì)VCSEL的參數(shù)進(jìn)行提取并對(duì)參數(shù)的退化機(jī)制進(jìn)行了理論分析。該實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果對(duì)提高地面模擬實(shí)驗(yàn)的效率及進(jìn)一步深入理解VCSEL的位移損傷效應(yīng)機(jī)理具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用的樣品為850 nm多模VCSEL，根據(jù)實(shí)驗(yàn)樣品的掃描透射電鏡（Scanning Transmission Electron Microscopy，STEM）結(jié)果獲得該款器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：最底層為n型GaAs襯底，上下DBR對(duì)數(shù)分別為20.5和38.5對(duì)，有源區(qū)為3個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)。在此結(jié)構(gòu)上我們使用Silvaco軟件進(jìn)行建模，其中上下DBR部分分別使用2×1018cm-3的p型和n型摻雜，相鄰DBR高低折射率材料組分及厚度分別為Al0.9Ga0.1As/39 nm、Al0.12Ga0.88As/50 nm，在相鄰折射率材料之間使用20 nm的組分漸變層過渡。有源區(qū)無摻雜，分別使用GaAs/8 nm、Al0.3Ga0.7As/8 nm作為發(fā)光層和包覆層。頂部設(shè)置5 nm重?fù)诫s作歐姆接觸。氧化限制層設(shè)置了6 μm的氧化孔徑。模型結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，圖1（b）為器件工作時(shí)量子阱區(qū)域部分放大圖。

圖1 850 nm VCSEL的Silvaco模型結(jié)構(gòu)圖(a)和VCSEL工作時(shí)多量子阱區(qū)域的部分放大圖(b)Fig.1 Silvaco model structure diagram of 850 nm VCSEL(a)and partial enlarged view of the quantum well region when the VCSEL is operating(b)

質(zhì)子輻照實(shí)驗(yàn)在北京大學(xué)重離子物理研究所2×6 MV EN串列靜電加速器上進(jìn)行，選取質(zhì)子能量分別為3 MeV和10 MeV。通過MULASSIS工具進(jìn)行計(jì)算DDD并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，如表1所示［16］。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)使得兩種能量的質(zhì)子在不同注量下具有一致的DDD。VCSEL樣品采用TO-46形式封裝，封裝蓋在輻照前被去除避免對(duì)質(zhì)子的阻擋從而導(dǎo)致注量測(cè)量不準(zhǔn)確。輻照時(shí)VCSEL引腳開路并垂直于質(zhì)子輻射源。輻照后，使用掃描狹縫光束輪廓儀及4200ASCS半導(dǎo)體參數(shù)分析儀測(cè)試VCSEL的光-電流-電壓（L-I-V）曲線。由于VCSEL的光學(xué)特性受溫度影響，使用ITC4002QCL驅(qū)動(dòng)器件并嚴(yán)格控制測(cè)試溫度為30℃。

表1 3 MeV和10 MeV在不同質(zhì)子注量下對(duì)應(yīng)的DDD Table 1 Corresponding DDD of 3 MeV and 10 MeV at different proton fluences

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 質(zhì)子輻照結(jié)果與仿真模型

使用MULASSIS工具計(jì)算位移損傷劑量公式如下：

式中：LNIE為非電離能量損失（Non-Ionizing Energy Loss），該值與入射粒子能量、種類和靶材料有關(guān)；?為質(zhì)子注量；DDD指單位質(zhì)量的靶材料在輻照中由于晶格原子位移造成結(jié)構(gòu)損傷所吸收的能量。圖2展示了3 MeV質(zhì)子輻照后的光輸出功率-電流曲線（L-I），從圖2可見，隨著質(zhì)子注量的增加，VCSEL的閾值電流逐漸增加；相同注入電流下光輸出功率降低。該結(jié)果主要考慮是由于質(zhì)子輻照引入位移損傷引起的。

圖2 3 MeV質(zhì)子輻照下VCSEL的L-I特性隨質(zhì)子注量變化Fig.2 Relationship between L-I characteristics of VCSEL and proton fluence under 3 MeV proton irradiation

當(dāng)高能粒子與半導(dǎo)體晶格碰撞時(shí)，原子可能會(huì)從其晶格位置脫離并被推入晶體內(nèi)的間隙位置，這個(gè)被取代的原子以前的晶格位置被稱為空位。被置換的原子稱為間隙原子（不在正常晶格位置的原子），間隙空位對(duì)稱為弗倫克爾對(duì)。如果高能粒子具有足夠大的能量，這些被置換的原子會(huì)產(chǎn)生級(jí)聯(lián)碰撞進(jìn)一步碰撞其他晶格原子，這些級(jí)聯(lián)碰撞會(huì)導(dǎo)致一個(gè)大的無序區(qū)域，稱為缺陷簇［17］。這些缺陷作為非輻射復(fù)合中心俘獲載流子，由于相同注入電流下部分載流子補(bǔ)償缺陷，所以導(dǎo)致了閾值電流的增加［18］。同樣，由于缺陷引入的缺陷能級(jí)降低了輻射復(fù)合速率，降低了少子壽命，從而導(dǎo)致了光輸出功率的降低。使用閾值前后數(shù)據(jù)線性擬合的兩條曲線交點(diǎn)確定閾值電流并作歸一化處理如圖3所示。從圖3中可見，在相同DDD下，即使質(zhì)子的注量不同，但是閾值電流的損傷在兩種能量下基本一致。結(jié)果表明：DDD可以作為評(píng)估VCSEL在不同能量質(zhì)子輻照下位移損傷的有效手段。

圖3 3 MeV和10 MeV輻照后VCSEL歸一化閾值電流與DDD的關(guān)系Fig.3 Relationship between normalized threshold current of VCSEL and DDD after 3 MeV and 10 MeV irradiation

Silvaco作為半導(dǎo)體工藝和器件仿真軟件（Technology Computer Aided Design，TCAD），會(huì)將仿真模型劃分為區(qū)域網(wǎng)格，使用成熟的理論和模型作為基礎(chǔ)，在格點(diǎn)處求解希望得到的特性，如：電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)等，可以作為工具從理論角度分析實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本文結(jié)合STEM建立模型如圖1所示，隨后引入輻射注量模型，該模型可以模擬由于半導(dǎo)體中的高能粒子轟擊引起的缺陷產(chǎn)生率，由具有特定輻照能量和種類的輻射注量引起的總?cè)毕輵B(tài)密度（NT）由式（2）給出，通過計(jì)算引入缺陷的影響，并反應(yīng)到器件特性上。

式中：αD為損傷因子；ρ為材料密度；?是總質(zhì)子注量。調(diào)用該模型時(shí)使用RADIATION語句定義FLUENCE、ENERGY、粒子種類和NIEL的大小。引入模型后獲得的3 MeV質(zhì)子輻照仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖4所示。圖4中器件的L-I曲線在12 mA處由于工作模式的切換導(dǎo)致曲線出現(xiàn)扭結(jié)，但是該仿真結(jié)果提取的閾值電流和斜率效率使用扭結(jié)前數(shù)據(jù)，且結(jié)果和測(cè)試結(jié)果對(duì)應(yīng)得較為理想。從仿真結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果的L-I曲線提取的閾值電流隨DDD變化如圖5所示。此外，通過仿真可以獲得等多的微觀參數(shù)與質(zhì)子輻射的關(guān)系，為進(jìn)一步理解輻射損傷機(jī)理提供理論支持。

圖4 3 MeV質(zhì)子輻照后的L-I特性仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison between simulation and experimental results of L-I curve after 3 MeV proton irradiation

圖5 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果提取的歸一化閾值電流對(duì)比Fig.5 Comparison of normalized threshold current extracted from simulation and experimental results

2.2 VCSEL退化分析

由于輻射注量模型是計(jì)算材料中的陷阱產(chǎn)生率，我們首先使用Silvaco自帶的探測(cè)尺工具提取了VCSEL注入電流為23 mA時(shí)中間量子阱的陷阱密度以及電離的施主和受主密度，結(jié)果如圖6所示。由圖6可見，3 MeV和10 MeV質(zhì)子在相同DDD下產(chǎn)生的缺陷密度基本一致。此外，只有部分缺陷電離且受主電離密度比施主高，陷阱濃度、施主和受主濃度與DDD呈現(xiàn)線性關(guān)系［13］。陷阱中心位于禁帶中，通過電子的發(fā)射和俘獲與導(dǎo)帶和價(jià)帶交換電荷。缺陷中心影響半導(dǎo)體中空間電荷的密度和復(fù)合統(tǒng)計(jì)。從而影響輻射復(fù)合模型和光子速率方程，導(dǎo)致VCSEL輸出特性產(chǎn)生退化。

圖6 Silvaco中提取的陷阱密度，施主和受主電離密度隨DDD的變化Fig.6 Variation of trap dose,donor and acceptor ionized density with DDD extracted from Silvaco

在DBR部分，圖7為VCSEL鏡面損失隨質(zhì)子注量變化圖，而鏡面損失的計(jì)算公式如下：

圖7 10 MeV質(zhì)子輻射后VCSEL鏡面損失與質(zhì)子注量關(guān)系Fig.7 Relationship between VCSEL mirror loss and proton fluence after 10 MeV proton irradiation

式中：αmir為鏡面損失；L為諧振腔腔長(zhǎng)；Rf和Rr分別為前后鏡面反射率。作為Rf和Rr的對(duì)數(shù)函數(shù)，質(zhì)子輻射引起鏡面反射率的退化就會(huì)導(dǎo)致αmir的顯著增大。而鏡面損失增加會(huì)降低光子壽命，因此質(zhì)子輻射對(duì)DBR部分反射率的影響成為降低VCSEL輸出特性的部分原因。

在激光產(chǎn)生的必要條件中，除了DBR外，增益介質(zhì)（有源區(qū)部分）同樣會(huì)影響激光輸出特性。VCSEL中，電子數(shù)反轉(zhuǎn)后輻射復(fù)合產(chǎn)生光子，而輻射復(fù)合速率直接影響產(chǎn)生的光子數(shù)，圖8為復(fù)合速率和輻射復(fù)合速率與DDD的關(guān)系。受激光輻射引起的載流子復(fù)合建模如下：

式中：Rst為復(fù)合速率；Neff為有效折射率；g為增益；Sm為光子數(shù)密度；E為光電場(chǎng)；m指模態(tài)量。從圖8中可見，隨著DDD的增大，復(fù)合速率和輻射復(fù)合速率均會(huì)降低，且輻射復(fù)合速率受質(zhì)子輻射影響更為嚴(yán)重。輻射復(fù)合速率的降低一方面降低了產(chǎn)生的光子數(shù)，降低光輸出功率，另一方面，輻射復(fù)合速率的降低意味著非輻射復(fù)合的增加，非輻射復(fù)合的能量會(huì)以熱能釋放到器件中，表現(xiàn)為器件結(jié)溫的增加，而VCSEL作為對(duì)溫度比較敏感的器件，過高的結(jié)溫同樣會(huì)降低光輸出功率。

圖8 量子阱處復(fù)合速率和輻射復(fù)合速率隨DDD的變化Fig.8 Variation of recombination rate and radiative recombination rate at quantum well with DDD

在有源區(qū)部分，Silvaco求解的光子速率方程如下：

式中：Gm為模增益；1/τphm為光子壽命；αe為任何額外的激光損耗（默認(rèn)值為0）；Rspm為自發(fā)發(fā)射速率。圖9為兩種能量質(zhì)子的Sm隨位移損傷劑量變化圖，從圖9中可見，引入質(zhì)子輻射后，Sm逐漸降低。因此，VCSEL輸出特性的退化是輻射后由于位移損傷導(dǎo)致諧振腔反射率，有源區(qū)輻射復(fù)合速率等參數(shù)降低的綜合結(jié)果。仿真結(jié)果在驗(yàn)證和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的同時(shí)也可以從工藝角度對(duì)VCSEL的抗輻射加固提供設(shè)計(jì)思路。

圖9 光子速率方程中光子數(shù)與DDD的關(guān)系Fig.9 Relationship between photon number in photon rate equation and DDD

3 結(jié)語

本文研究了相同DDD下3 MeV和10 MeV質(zhì)子輻照引起VCSEL的性能退化。結(jié)果表明：在相同DDD下，兩種能量質(zhì)子輻射產(chǎn)生的退化基本一致。此外，還根據(jù)STEM結(jié)果在Silvaco中建立了對(duì)應(yīng)的模型，在引入輻射注量模型后，從仿真中發(fā)現(xiàn)了輻射后陷阱濃度增加、DBR反射率下降、有源區(qū)輻射復(fù)合速率降低和光子數(shù)降低等結(jié)果。因此，質(zhì)子輻射引入的位移損傷對(duì)DBR和有源區(qū)均有影響，反射率和光子數(shù)的降低最終導(dǎo)致了器件L-I特性的退化。該仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，模型具有較高的可信度。此外，通過仿真還深入分析了VCSEL質(zhì)子輻射后退化的微觀機(jī)理。以上實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果對(duì)VCSEL的輻射效應(yīng)評(píng)估實(shí)驗(yàn)和空間輻射環(huán)境下的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

作者貢獻(xiàn)聲明陳加偉：論文初稿的寫作與稿件的修改；李豫東：參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)結(jié)果分析；瑪麗婭·黑尼：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者和實(shí)驗(yàn)研究的執(zhí)行人；郭旗：指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析、論文寫作與修改；劉希言：提供理論支持和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。