長波長垂直腔面發(fā)射激光器研究

中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 中國科學(xué)院大學(xué)材料科學(xué)與光電工程中心 傳感器技術(shù)國家重點實驗室 付登源 王櫟皓 趙俊元

中國空空導(dǎo)彈研究院 航空制導(dǎo)武器航空科技重點實驗室 趙松慶 吳根水 陳海燕

中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 中國科學(xué)院大學(xué)材料科學(xué)與光電工程中心 傳感器技術(shù)國家重點實驗室 朱銀芳 楊晉玲

近年來，垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）由于其較低的閾值電流和垂直襯底表面出光的特性受到研究人員的廣泛關(guān)注。長波長VCSEL在光通信和光互聯(lián)領(lǐng)域具有巨大的潛在研究意義，本文從應(yīng)用、發(fā)展現(xiàn)狀、存在的技術(shù)問題、解決方法等方面采用有限元仿真對長波長VCSEL進行了分析，并進行了展望。

在實際裝備系統(tǒng)性能測試環(huán)節(jié)中，雖然完全采用實物測試得到的數(shù)據(jù)反饋真實有效，但是由于測試環(huán)境千變?nèi)f化，使得測試成本劇增。唯一的替代辦法是提供仿真環(huán)境。仿真技術(shù)可以在實驗室中模擬激光成像制導(dǎo)控制系統(tǒng)的工程狀況，可以提高設(shè)計質(zhì)量、減少飛行實驗次數(shù)、降低裝備系統(tǒng)研制成本、縮短研制周期，已成為激光成像系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計和評估的必要手段。根據(jù)采用的模型不同，激光仿真可分為數(shù)學(xué)仿真、物理仿真和半實物仿真三類。其中半實物仿真將物理仿真和數(shù)學(xué)仿真相結(jié)合，既能得到比數(shù)學(xué)仿真更加真實有效的數(shù)據(jù)，又能完成物理仿真無法模擬的場景。半實物仿真系統(tǒng)能夠應(yīng)用于對激光成像儀、激光探測系統(tǒng)的測試和評估，其核心技術(shù)是動態(tài)激光圖像生成技術(shù)，而激光成像發(fā)生器是激光動態(tài)圖像生成技術(shù)的核心部件?；谖㈦娮訖C械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）具有響應(yīng)速度快、易于陣列化、發(fā)射功率高、動態(tài)范圍大等優(yōu)點，將成為用于半實物仿真中激光成像發(fā)生器的主要發(fā)展方向。垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）在閾值電流、使用壽命、大陣列集成等方面具有突出的優(yōu)勢。其中長波長的面垂直發(fā)射激光器在光通信、原子鐘、醫(yī)學(xué)檢測及氣體檢測等方面具有獨特的應(yīng)用優(yōu)勢，所以對于長波長垂直腔面發(fā)射激光器的研究意義重大。

1 垂直腔面發(fā)射激光器的介紹

1.1 垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)和原理

圖1所示為VCSEL的結(jié)構(gòu)模型圖，從上到下結(jié)構(gòu)上分別為P型電極、P型布拉格反射鏡（P-DBR）、有源增益區(qū)、N型布拉格反射鏡（N-DBR）、N型電極、襯底。相比于邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器，VCSEL的出光方向垂直于襯底表面，法布里珀羅諧振腔較短，為了達到出光條件，VCSEL中的DBR反射鏡需要更高的反射效率（＞99%）。DBR反射鏡的性能直接影響到VCSEL器件的閾值電流、輸出功率等主要參數(shù)，現(xiàn)階段主要由AlGaAs/GaAs材料逐層生長制成，每一層材料的光學(xué)厚度為中心波長的1/4。氧化限制孔夾在DBR反射鏡與有源區(qū)之間，用于電場與光場限制。在靠近VCSEL器件有源區(qū)的上方和下方采用高Al組分的AlGaAs材料，放入高溫潮濕環(huán)境下，利用濕法氧化工藝能夠形成均勻致密的氧化層。有源區(qū)夾在P-DBR與N-DBR之間，VCSEL器件工作時會在有源區(qū)形成駐波，使得光子能量放大最后形成激射。為了形成駐波，有源區(qū)的光學(xué)厚度應(yīng)為半波長的的整數(shù)倍。有源區(qū)量子阱的材料一般選用InGaAs/GaAsP材料體系，因為InGaAs一般會處于壓應(yīng)變狀態(tài)，GaAsP可以提供應(yīng)變補償，解決了傳統(tǒng)材料應(yīng)變隨激射波長的增加而增大的現(xiàn)象，還可以提供較高的增益。

圖1 VCSEL器件結(jié)構(gòu)模型圖

1.2 垂直腔面發(fā)射激光器的優(yōu)點

VCSEL由于垂直于襯底表面出光的特性相比于傳統(tǒng)的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器擁有很多獨特的優(yōu)勢。一般邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器中的DBR反射鏡反射效率只需達到60%即可形成激射，而VCSEL器件中的DBR反射鏡反射率則需要達到99%以上，雖然增加了制成工藝的難度，但由于更高的反射率，VCSEL的閾值電流更低，大大降低了器件的功率和腔內(nèi)損傷，提升了器件的使用壽命；并且由于VCSEL的出光方向，更適合二維陣列集成；結(jié)合MEMS工藝可以實現(xiàn)波長的調(diào)制功能，使得單一器件能夠得到更多的應(yīng)用；除此之外，VCSEL同時具有易與光纖耦合，光電轉(zhuǎn)換效率高，能夠與大規(guī)模集成電路耦合等獨特優(yōu)勢。

1.3 長波長面垂直發(fā)射激光器的介紹

由于長波長VCSEL在遠距離信息傳輸，光互聯(lián)等方面具有重大的應(yīng)用前景，具有非常重要的研究意義。現(xiàn)階段840nm和980nm的VCSEL器件制造技術(shù)已經(jīng)十分成熟，但是長波長VCSEL（1.3μm和1.55μm）的研制依舊困難重重。長波長VCSEL器件有源區(qū)材料的選擇主要有兩種——GaAs和InP。由于InP材料的折射率變化性差，導(dǎo)熱性差，所以不能用于制作高反射率的DBR反射鏡。為了解決這個問題，一般采用InP材料制成的有源區(qū)和GaAs制成的DBR反射鏡通過熔融鍵合而成，但不適合大規(guī)模制造。而由GaAs材料制成的有源區(qū)可以實現(xiàn)整個VCSEL器件的單片生長，但由于應(yīng)變的限制，GaAs基的VCSEL器件的光波長最高只能到達1200nm。為了得到更高波長的出射光，可采用GaAsSb/GaAs，GaAsSb作為應(yīng)變補償層。

2 垂直發(fā)射激光器的研究現(xiàn)狀

1979年第一只波長為1.3μm的GaInAsP/InP的VCSEL研制成功，但無法在室溫下運行，必須在液氮冷卻和脈沖電流驅(qū)動下才能工作，閾值電流也高達800mA。隨后對于長波長VCSEL器件的研制得到了更多的研究人員關(guān)注。

對1.3μm VCSEL的研究主要集中于有源區(qū)材料的選擇，如GaInNAsSb/GaAs量子阱、InGaAlAs/InP量子點等。2002年，Henning Riechert等人使用MBE和MOVPE兩種設(shè)備生長制作1.3μm VCSEL器件，其中使用MBE設(shè)備制成的VCSEL室溫下的單模輸出功率大于1mW，閾值電流為2.2mA，傳輸距離大于20.5km，傳輸速度的達2.5Gbit/s。使用MOVPE設(shè)備生長的VCSEL單模輸出功率為1.4mW，閾值電流為1.25mA，傳輸速度達到10Gbit/s；A.Mereuta等人通過優(yōu)化生長條件和一種諧振腔調(diào)諧技術(shù)，將波長產(chǎn)率提高到70%。在0-80℃的溫度范圍內(nèi)，單模器件的閾值電流低于1mA，且工作電流小于7mA；時隔一年，該研究人員及團隊通過選擇性去除DBR反射層，調(diào)整GaAs基的DBR反射率來優(yōu)化輸出耦合，室溫下單模功率達到6.8mW，80℃下也可以達到2.8mW，單模抑制比大于30dB。

對于1.55μm VCSEL器件的研制主要關(guān)注點是DBR反射鏡和其他結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化上。2001年，I.Sagnes等人首次利用MOCVD生長設(shè)備研制出InP/AlGaInAs材料體系的VCSEL器件，僅生長40對四分之一波長的DBR材料反射率即可達到99.96%，較之前的研究結(jié)果，反射鏡的厚度減小了25%，同時大大降低了由DBR反射鏡材料堆疊造成的串聯(lián)電阻的阻值；2009年，Werner Hofmann等人通過減少1.55μm VCSEL腔內(nèi)的器件寄生，并設(shè)計高應(yīng)變有源區(qū)，調(diào)制速度可達22Gbit/s，同時在85℃下數(shù)據(jù)傳輸速度仍然可以達到12.5Gbit/s。

上世紀(jì)90年代，VCSEL器件傳入國內(nèi)，引起了國內(nèi)研究人員的興趣，雖然起步較晚，但半導(dǎo)體激光器產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)發(fā)展迅猛。國內(nèi)VCSEL器件的發(fā)展主要集中于840nm和980nm波長范圍內(nèi)。目前，中科院半導(dǎo)體研究所，中科院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，長春理工大學(xué)，北京工業(yè)大學(xué)等在研究VCSEL，在器件的材料外延生長、芯片制造及器件封裝方面掌握了部分核心科技。但是針對與長波長的VCSEL器件的研制卻少之又少。2018年，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的劉麗杰，吳遠大等人在InP襯底上設(shè)計了1550nm的長波長VCSEL器件，室溫下閾值電流為30mA，最大輸入功率為270mW。

3 長波長面垂直發(fā)射激光器發(fā)展的難點

長波長VCSEL的DBR材料選擇主要有兩種——InP/InGaAsP和GaAs/AlAs。其中InP/InGaAsP材料可以利用外延的方式和InP基襯底晶格相匹配，但是這兩種材料的折射率差較小，為了達到足夠高的反射率需要更多的材料層對數(shù)，給外延生長造成較大的困難。同時InP/InGaAsP材料體系熱傳導(dǎo)性較差。GaAs/AlAs材料體系折射率差較大，與InP/InGaAsP相比，DBR反射鏡的厚度較小，且具有優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性，所以GaAs/AlAs材料體系是長波長VCSEL器件DBR反射鏡材料選擇的首選。但GaAs/AlAs材料體系與InP基襯底之間晶格失配較大，很難通過外延生長制作單片VCSEL器件。由于空穴的遷移率小于電子的遷移率，P-DBR反射鏡的電阻基本決定了串聯(lián)電阻的大小。P型材料的電阻過大會導(dǎo)致VCSEL器件發(fā)熱嚴(yán)重，影響整個器件的發(fā)光性能。除此之外，在長波長波段內(nèi)，P型材料的價帶內(nèi)帶間吸收嚴(yán)重，不利于器件工作。

為了解決上述問題，可以采用熔融鍵合的方法將GaAs/AlAs材料體系和InP基襯底相鍵合或采用掩埋隧道結(jié)結(jié)構(gòu)。在掩埋隧道結(jié)結(jié)構(gòu)中使用N型材料氧化限制層和DBR反射鏡替代原P型材料氧化限制層和DBR反射鏡。這大大減小了整個VCSEL器件的串聯(lián)電阻，增大了電光轉(zhuǎn)換效率，降低器件的發(fā)熱，并且提高了電流注入的均勻性和光學(xué)吸收損耗。

4 1064nmVCSEL仿真設(shè)計

VCSEL的核心結(jié)構(gòu)有上層DBR反射鏡，量子阱有源層和下層DBR反射鏡。DBR反射鏡一般由多周期的高反射膜堆疊而成，每層材料的厚度為λ/4。由于VCSEL器件的腔室較短，所以DBR反射鏡需要較高的反射率（＞99%）。然而DBR反射鏡又是VCSEL器件的主要熱源，器件溫度過高會嚴(yán)重制約器件的性能，所以DBR反射鏡的設(shè)計對整個VCSEL器件的閾值特性以及頻率響應(yīng)特性都有著重要的影響。DBR反射鏡是有高反射率（n1）材料和低反射率（n2）材料堆疊制成，且兩種材料反射率差值越大，堆疊層數(shù)越多，整體DBR反射鏡的反射率越大，設(shè)計的每一層材料的厚度可由式(1)、式(2)得到：

圖2 VCSEL器件材料層及厚度

圖3 VCSEL器件DBR反射鏡反射率仿真結(jié)果

根據(jù)目標(biāo)波長為1064nm，結(jié)合式(1)、(2)可以計算得到DBR結(jié)構(gòu)的材料成分Al0.88Ga0.12As的單層厚度為89.1nm，GaAs的單層厚度為76.5nm。圖2所示為設(shè)計的VCSEL器件的結(jié)構(gòu)以及每層材料的厚度的示意圖。

使用有限元仿真軟件對不同材料堆疊對數(shù)的DBR的反射率進行仿真，圖3所示為仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明，疊層對數(shù)較少時，反射率較低，且通帶與其他模態(tài)峰相近。N=20時能達到99.5%以上的反射率。DBR反射層數(shù)繼續(xù)增多時，將會帶來生長中應(yīng)力積累而出現(xiàn)晶格失配影響外延層質(zhì)量，且較厚的DBR結(jié)構(gòu)也會引入較大的串聯(lián)電阻，產(chǎn)熱增多，影響輸出功率。

有源區(qū)材料選擇為InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱材料，其中InGaAs材料作為勢阱，GaAs材料作為應(yīng)變補償勢壘層。帶隙寬度與波長的關(guān)系為式(3)所示：

對于1064nm波長，量子阱InxGa1-xAs材料的帶隙計算結(jié)果為1.167eV。室溫下InxGa1-xAs阱層材料的非應(yīng)變帶隙表達式為式(4)所示：

考慮應(yīng)變對量子阱帶隙的影響，選用InxGa1-xAs材料In的組分為0.25，故采用In0.25Ga0.75As/GaAs(8nm/6nm)作為有源層材料。

5 結(jié)論

本文從VCSEL器件結(jié)構(gòu)原理、長波長VCSEL器件的應(yīng)用、發(fā)展現(xiàn)狀、存在的問題及解決方法等問題進行了研究。長波長VCSEL在遠距離信息傳輸，光互聯(lián)、光并行處理，光識別系統(tǒng)及氣體檢測等方面具有重大的應(yīng)用前景。希望將來國內(nèi)外的研究人員能夠在長波長VCSEL領(lǐng)域取得長足的進步，實現(xiàn)商品化。