中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近日，中國科學(xué)院微電子研究所的研究人員在《物理學(xué)報》期刊上發(fā)表了題為“高功率密度多結級聯(lián)905nm垂直腔面發(fā)射激光器”的最新論文，針對激光雷達等三維傳感應用，設計并制備了905nm波長(cháng)的高功率密度5結級聯(lián)垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL），制備的5結級聯(lián)VCSEL單管（氧化孔徑8μm）的功率轉換效率高達55.2%；其最大斜率效率為5.4W/A，約為相同孔徑單結VCSEL的5倍。窄脈沖條件下（脈沖寬度為5.4ns，占空比0.019%），5結級聯(lián)19單元VCSEL陣列（單元孔徑20μm）的峰值輸出功率達到58.3W，對應的峰值功率密度高達1.62kW/mm2。對不同孔徑器件的光電特性進(jìn)行了測試和分析。結果顯示，這些器件的最大斜率效率均大于5.4W/A, 最大功率轉換效率均大于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。
近年來(lái)，三維（3D）傳感技術(shù)在消費電子、醫療、工業(yè)等領(lǐng)域的應用越來(lái)越重要。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（IR LED），半導體邊發(fā)射激光器（EEL）和VCSEL。VCSEL垂直于襯底出光，不僅可以實(shí)現在片測試，而且可以容易集成二維陣列，通過(guò)控制陣列單元數目就可以實(shí)現出光功率的縮放，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、溫度穩定性高等優(yōu)勢。因此，VCSEL越來(lái)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。
相比于傳統的單結VCSEL器件，多結級聯(lián)VCSEL在外延生長(cháng)過(guò)程中，將多個(gè)有源區在同一個(gè)諧振腔內通過(guò)隧道結串聯(lián)起來(lái)，從而可以獲得較大的增益。在不增加芯片面積的情況下，多結級聯(lián)VCSEL的光輸出功率相對于同孔徑單結VCSEL的輸出功率呈倍數提升，不僅可以獲得較高的功率密度，而且能夠大大地提高VCSEL器件的功率轉換效率（PCE）。此外，增益的提高可以降低多結VCSEL的工作電流，從而減小驅動(dòng)電路的功耗和成本，也可以實(shí)現電壓和電流的折中優(yōu)化以提高驅動(dòng)電路的兼容性。
如今，隨著(zhù)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等也加大了多結級聯(lián)VCSEL的研發(fā)力度。
基于此，本文針對激光雷達等3D傳感應用，設計并制備了905nm波長(cháng)的高功率密度5結級聯(lián)VCSEL器件，并對多結VCSEL的設計、器件結構和輸出特性進(jìn)行了詳細的分析和討論。
器件設計和制備
本文設計的5結級聯(lián)VCSEL器件的結構示意圖如圖1（a）所示。采用金屬有機物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）首先在GaAs襯底上生長(cháng)40對N型Al0.12Ga0.88As/Al0.9Ga0.1As分布布拉格反射鏡（N-DBR）。接著(zhù)，在N-DBR上方外延生長(cháng)5個(gè)有源區，每個(gè)有源區包含3對6nm厚的In0.12Ga0.88As量子阱層和8nm厚的Al0.3Ga0.7As勢壘層。有源區之間通過(guò)厚度為25nm的重摻雜GaAs隧道結連接起來(lái)。需要注意的是，由于隧道結摻雜濃度很高，為了減小隧道結的光吸收損耗，需要將隧道結置于駐波場(chǎng)的波節上；而為了增大光增益，需要將量子阱放置在駐波場(chǎng)的波腹處，如圖1（b）所示。每個(gè)有源區上方均放置一層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(gè)有源區的注入電流限制在氧化孔內，從而減少電流擴展，提高器件的微分量子效率。待整個(gè)有源區生長(cháng)完成后，在其上方生長(cháng)15 對P型Al0.12Ga0.88As/Al0.9Ga0.1As分布布拉格反射鏡（P-DBR），最后外延生長(cháng)歐姆接觸層。
圖1（a）5結級聯(lián)VCSEL的結構示意圖，插圖為制備得到的實(shí)際器件；（b）駐波場(chǎng)中量子阱和隧道結的位置示意圖
器件的制作過(guò)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（ICP）刻蝕至N-DBR，將VCSEL臺面所有的高鋁層暴露出來(lái)。接著(zhù)，采用濕法氧化法將高鋁層外圍氧化，形成氧化孔。接下來(lái)，在P電極上方電鍍3μm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150μm，并在其表面蒸發(fā)AuGeNi/Au形成N型電極。最后，對器件進(jìn)行快速熱退火，形成良好的歐姆接觸。為了更好地分析5結級聯(lián)VCSEL的光電性能，不僅制備了不同孔徑的器件，同時(shí)還采用相同的工藝制備了905nm單結VCSEL器件作為對比。
性能測試
在室溫連續（CW）條件下，8μm氧化孔徑的5結級聯(lián)VCSEL單管的光功率-電流（L-I）特性、電壓-電流（V-I）特性、PCE、以及光譜如圖2（a）—（d）所示。相同孔徑的單結VCSEL的測試特性曲線(xiàn)也呈現在圖中作為對比。5結級聯(lián)VCSEL相對于單結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2 氧化孔徑8μm的5結VCSEL與單結VCSEL在室溫CW條件下的測試結果（a）L-I曲線(xiàn)；
（b）V-I曲線(xiàn)；（c）PCE-L曲線(xiàn)；（d）5結VCSEL在1mA下的光譜
在CW條件下測試了不同孔徑的5結級聯(lián)VCSEL單管的光電特性，如圖3所示。從圖3（a）所示的L-I曲線(xiàn)可以發(fā)現，隨著(zhù)氧化孔徑從8μm增大到20μm，器件的閾值從0.6mA增大到2mA；器件的最大功率從33.5mW增大到70.2mW。從圖3（a）中還可以看出，孔徑越大，器件的熱翻轉電流越大，這是因為大孔徑器件的有源區面積更大，電流密度更低。隨著(zhù)孔徑增大，器件的最大PCE沒(méi)有發(fā)生明顯變化，如圖3（c）所示。將不同孔徑器件的最大PCE和最大SE提取到圖3（d）中，可以發(fā)現，所有器件的最大斜率效率均大于5.4W/A，最大PCE均大于54%，展示出很好的性能均一性。
圖3 不同氧化孔徑5結VCSEL器件在室溫下（a）L-I曲線(xiàn)；（b）V-I曲線(xiàn)；（c）PCE-I曲線(xiàn)；（d）最大PCE和SE隨孔徑的變化
最后，研究人員制備了19單元5結VCSEL陣列，單元氧化孔徑為20μm，制備得到的實(shí)際陣列及其尺寸如圖4（a）所示。整個(gè)陣列有源區的直徑為0.214mm，陣列的總發(fā)光面積為0.036mm2。測試了該19單元VCSEL陣列在窄脈沖條件下（脈沖寬度5.4ns，占空比0.019%）不同驅動(dòng)電路板電壓下的峰值輸出功率。圖4（b）是驅動(dòng)電路板電壓為25V下測得的陣列光功率響應曲線(xiàn)，可以看出，脈沖寬度（半高全寬）為5.4ns。圖6（c）展示了19單元陣列的峰值輸出功率隨驅動(dòng)板電壓的變化，可以發(fā)現，峰值功率隨著(zhù)驅動(dòng)板電壓先線(xiàn)性增大后趨近飽和，測得的最大峰值功率達到58.3W，對應的最大峰值功率密度為1.62kW/mm2。這種高峰值功率、高功率密度的多結級聯(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VCSEL陣列的俯視圖和尺寸示意圖；
（b）驅動(dòng)板電壓為25V下陣列的光功率響應曲線(xiàn)；
（c）19單元陣列的峰值輸出功率隨驅動(dòng)板電壓的變化
結論
設計并制備了5結級聯(lián)905nm 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5.4W/A，最大PCE均大于54%。窄脈沖條件下測試得到的19單元5結VCSEL陣列的最大峰值功率達到58.3W，峰值功率密度為1.62kW/mm2。相對于單結VCSEL，5結級聯(lián)VCSEL在輸出功率、斜率效率及功率轉換效率等性能上具有較大的優(yōu)勢。下一步會(huì )繼續增加VCSEL的結數，以獲得更高的功率密度。另外，也需要解決多結VCSEL的散熱問(wèn)題，提高器件的可靠性。
